从零学运放—04 单电源运放的设计

电源

从零学运放—04 单电源运放的设计

为什么我们在实际设计中会选择单电源系统呢？因为很多时候我们的产品都是电池供电，或者说只有单电源电压（只有正电压过来），这个时候如果说我们在设计成双电源供电的话，那不可避免的需要输出负电压出来，而负电压的设计比较麻烦，尤其是电池系统。

1、单电源的优缺点

1.1、单电源系统的优点

系统单电源供电，电源容易设计，电源系统直接一个LDO就可以设计出工作电源。

有很多低电压工作的轨对轨运放型号，便于选型

1.2、单电源系统的“缺点”

处理交流信号需要“虚地”，抬升参考点，让我的信号以参考点为主，也就是在VCC和0之间的一个地方把交流信号叠加在偏置上，系统低频特性变差。还有就是处理是交流信号，电池供电电压不高，比如锂电3.7伏或者4.2伏或者系统可以升高到5V，比如我们常见的蓝牙小音响，蓝牙小音响的功放也就是工作在5V，用锂电升个5V出来，5V如果给运放供电的话，因为处理的是交流信号那它的动态范围很小，音频信号的VPP值只能是到5V，一般我们把参考点选择在2.5V，也就是说我的动态范围是2.5V(交流信号是对称)。

不外加调零电路的话无法输出“0”

直流信号只能用同相输入放大电路

动态范围小，一般电池系统要选择轨对轨输入或者轨对轨输出运放，因为这类运放输出动态范围会大一些，非轨对轨运放之前也说过，一般5V的话是到4V，差一点的话是到3.5V；那么输出的话也一样，大概距离电源轨会有1.5V的差，如果选择这种非轨对轨的输出的动态范围会更小。

2、双电源的优缺点

2.1、双电源系统优点，不分交直流信号

信号以GND为参考点，容易设计，系统设计估计会很少

可以输出“0”

2.2、双电源系统的“缺点”

产生负压可选方案不多，成本高，一般产品都是正电压过来。需要个电源模块才能产生负压，并且不可靠，还要做滤波处理，还要做负压LDO，成本也不小，比较复杂。

电源模块产生

电荷泵产生，需要做滤波，用一个磁珠和两个对地电容组成一个π型滤波，用这种方式呢，输出的负电压会尽可能的干净些。但是因为电荷泵的驱动能力（负载能力）不够强，一般来说也就是100-200mA，并且在200mA左右的时候它的压降就比较大了。比如说产生的负5伏，规格标称它的最大输出是200mA的，那就可能说你在拉200mA的时候，实际上负5伏已经被拉到了负4伏，电压变化还是蛮大的，市场上的运放就是这样的包括ti,美信的电荷泵。所以不能指望电荷泵能够产生一个多强的驱动能力。

3、输入电压范围

实际上我们若选择了规格标称是双电源的运放，我们也可以设置为单电源工作的，只是要注意它的输入电压范围和输出电压范围。

首先要注意它的输入电压范围，就是距离负电源轨的差值。如上图规格书中标称的，最小值距离负电源轨有3.5伏的差异。

那么改成单电源之后，不管我是30伏还是单5伏的供电，那么我的输入电压范围一定要从3.5伏开始了，也就是信号低于3.5伏它是不识别的，这一点一定要注意，就是我的输入电压一定要在IVR范围内（输入电压范围），它距离负电源轨的差值一定要小心，一定要看好规格书它给出来的是多少。这也就限制了它使用的场合。所以说有些双电源的运放还不如使用单电源供电。如下图

4、输出动态范围

那么输出动态也是一样的，规格书上可以看出它的输出距离电源轨也有一定的差值，如下图。但是有些运放是轨对轨输入输出的，输出动态范围和输入动态范围都到电源轨的话就不存在这个差值了，那就可以很方便的给它用于单电源供电。

所以说运放用于单电源供电的时候，我们唯一要注意的就是它的输入动态范围和输出动态范围。从上边四张图我们可以很方便的看出来，对于他们的“地点”应该注意哪些事项。

5、单电源LDO供电

单电源供电系统用LDO给OPA供电

LM78xx PSRR性能不佳，最好要高输入耐压的LDO

那么在单电源运放系统里我们就建议使用LDO供电了，传统上我们用到的LM7805、LM7809、LM7812这些，这个器件虽然说很古老，也用的很广，但是它的电源纹波抑制比性能不好。他只有20-30个dB的PSRR值，尤其它的频率高一点，它的PSRR降的就很厉害。那么这个器件不到万不得已，成本没有达到那么极致的要求的话，最好不要用。因为这种高输入耐压的LDO比较普遍，像TI、和泰、盛邦威都有这种高输入耐压的LDO。在LDO设计当中我们会推荐下边的电路，如图：

毕竟电容很便宜，输入输出还有BP脚一定要接个电容，尤其是BP脚，它可以提高几个dB的PSRRR值，而且这几个电容一定要尽量靠近我们的管脚，电容放远了实际上是没有作用的。

6、“虚地”设计

另外一个单电源供电比较重要的一点——虚地。

主要是针对交流信号，要用“虚地”来抬升参考点，通常取VCC/2（用这个位置的好处就是使的动态范围尽量的大，因为我们的交流信号是对称的吗，我们选择一半的话它的正半部分和负半部分的动态范围都可以大一点，当然这个是针对轨对轨输入轨对轨输出的运放。如果是非轨对轨输入非轨对轨输出的就不能选在VCC/2了，如果选择VCC/2的话它的正半周动态范围就会小很多，比如说我们常见的LM358，它的输入和输出都只是VCC-1.5，比如我5伏供电，输出只能是0-3.5伏，输入也是0-3.5伏，这时如果设置在VCC/2的偏置电压，那就是2.5伏，2.5-3.5它的范围只有1伏，而负半周就是0-2.5，这个正半周和负半周明显不一样了，而交流信号又是对称的，所以你的交流信号动态范围就受限于正半周，只有1伏的动态范围，也就是你交流信号的VPP值只有2伏，这是很不划算的一个设计了，那么这是我们可以根据运放的特性来设置合适的虚地；比如说，我们知道LM358芯片输出动态范围就在3.5，那我就可以设置在1.7伏的偏置电压，也就是说的虚地设置在1.7伏，两个分压电阻（图中的R）就可以合理的进行搭配一下，使VOUT端产生1.7伏的偏置电压，这时候就可以尽量的利用运放输出的动态范围了。），当然也可以根据运放输出特性取其它值。也就是我的交流信号，原来是0为参考，那么通过虚地我们把它抬升到我们知道的值为参考。

同时我们可以看着，这个电路与我们之前看到的低通一阶滤波电路很相近，输入端的电阻和电容形成了一个RC低通滤波，也就是用运放组成的有源低通滤波。电阻这里我们不可能设置的太大，VCC经过R分压电阻流下来的电流要能远远大于IB（大部分运放的IB都在pA级，当然也有nA级的）所需要的电流，也就是让它们处于不同的数量级，并且是相差越大，误差就越小，也就是对分压电阻的影响就越小。而电容我们可以适当的设置的大一点，因为转折频率点不是1/2πRC，如果电阻按照100K—510k来计算就可以了，比如说电阻我们取510K来算那么电容就可以选择更大一点，因为电容选择更大一点才能使转折频率点更小，我们的目的是得出来一个干净的虚地（干净的偏置电压点），让它尽可能干净让交流信号叠加上去，所以我们这里的电容通常选用到10uF，当然也可以选更大的22uF，再大的话体积有一点麻烦，像10uF的0603就可以了。

7、单电源基本运放电路

那么下面我们来看下单电源工作下的运放电路。这里把它们分为直流信号放大电路和交流信号放大电路，因为在单电源工作下（我们刚才提到的虚地，它主要是针对交流信号的），如果是直流信号再增加虚地的话，后期采集电路会很麻烦。

7.1、单电源直流信号放大电路

说明

单电源供电指的是12伏以内的系统。

概念：

饱和：输出大于了电源轨（供电电压）

运放输出不可能超出电源轨的，即便某些运放里做了电荷泵，一般电荷泵都产生负压，而不会产生高于自身的电压，在运放内部做电荷泵升压的还没有见到过；只有在运放内部利用电荷泵产生负压的运放，也就是你这运放单电源供电，那么使运放工作于双电源下，这个时候它的输出还是不可能超过它的供电电压，也就是说它可以输出负压，负压可以达到它的VCC。

受制于工作电源，输出在0V以上，故单电源下放大电流信号只能用同相输入放大电路。所谓的同相是输入信号的相位和输出信号的相位是相同的。同相输入端和输出端内部都有个保护二极管（同相对VCC,反相对GND/VSS），所以在同相输入的时候，信号输入范围就有限制了，只能是在0V以上。并且很多规格书上都会写（单电源供电的运放）我的VCM范围是什么，通常我们的运放都会标注出来-0.1V也就是说你输入0V、-0.1V是没问题的。并且极限参数也会给出来（+ -0.3V），也就是说当我5V供电，我的输入端能够承受的（轨对轨运放）范围就是-0.3V—+5.3V，所以说我们在同相输入这里一般都是在0V以上，比如采集lowside的电流检测，负载过来一个采样电阻到地，Vi就是取在这个采样电阻上边，电流经过采样电阻之后呢就会产生一个电压，这个电压就会给到我们这个运放系统，做一个放大，然后给到后级的ADC去采集。采用同相放大时候呢我们可以做个滤波，低通滤波（一阶低通滤波）。这个电路上有个R4，这个电阻干啥用的呢？防止运放的输入浮空。比如说我做lowside电流采集的时候，当没有电流流过的时候，采样电阻上是没有电流的，没有电流就意味着没有电压，理论上应该说是0，可是有的时候呢，它的负载下边不是接的地，比如说接到一个电容（容性负载）上，这个时候Vi有可能就悬空了，那我这个R4是给他一个固定的下拉，就是为了防止它浮空，就是在任何情况我的输入是没有赋空的，即便Vi没有输入那我也没有浮空。为什么不允许浮空呢，因为运放的输入阻抗非常高，如果Ib是pA级的话，输入阻抗是1012的样子，这个时候如果前段输入是浮空的，很小的一个扰动就进入到运放了，进入运放因为是浮空，这个信号呢可大可小，那就无法判断了，经过我的放大哪怕是几十倍的放大都有可能输出是饱和的，尤其是发生在上电瞬间的时候就可能导致我的Vout输出就是饱和的，或则是震荡的，多数情况下是饱和的，可能会误触发我后边的检测系统，那么有这个R4即便上电过程中我们也能保证同相输入端为0，因为是下拉电阻吗，阻值可以选在500K-1M之间（当然是根据运放的Ib来选的，如果运放的Ib是pA级的那你用1M是没什么问题，如果是nA（LVM358 250nA-500nA）的话，这时候R4取1M的就不合适了，因为跟输入阻抗已经是一个级别了）。

C1启到了相位补偿的作用，我们取10pF~2000pF，这个值不能取太大，取太大会造成延时非常大，那么R3，R1，R2一般我们都取在K级或M以下。那有人要求我的单级放大倍数要很高，我们这里呢电阻也是有要求，电阻不能取太大，就是所谓的T型网络（就是用小的电阻获得更大的增益，后边应用实例里会做说明）。

有人说可不可以用反相输入，因为是单电源，所以它的输出是不可以低于电源轨的，单电源下它的输出范围就是0~Vcc，非轨对轨就是0~Vcc-一个值，一般减去1.5，最低输出0了，甚至0都达不到，你再用反相输入的话，那么输出就是负值，那是不可能的，运放输出不来的，只能输出0或者接近于0。

所以在单电源供电处理直流信号我们只能采用同相放大电路。

7.2、单电源交流信号放大电路

单电源下放大交流信号采用同相放大或者反向放大电路都可以，同相电路亦有多种接法：

电路一同相放大电路

在反馈壁上，电路用了R2和R3做了分压，产生了一个回路，提供了一个反馈的参考电压点，实际就是我们的虚地点。反馈壁的增益怎么算呢，实际上就是R3和R2并在一起的电阻，在用R1去比（增益是R1/(R2//R3)），再加1表示增加1倍。其它的电路分析方法，跟这个电路反馈壁的分析方法是一样的。因为是交流的信号，所以输过来这里加了个C2做隔直（好多人会问，我不加C2会怎么样，不加C2的情况下有2种结果，1、如果你的信号过来没有直流偏置，并且输出的阻抗很小，那么没关系，经过我的R4和R5分压提供直流偏置之后没有任何影响，直接进到我们的系统就可以了。2、如果说源信号带有直流偏置，比如说手机的MIC输出，计算机的音频输出，它都会有一个2.5伏或者1.7伏的偏置电压，如果这个直流偏置电压没有隔掉的话，它会跟我这个R4和R5形成分压，互相会抵消，那么就是说提供这个直流偏置电压就变掉了，直流电压会打架，会做个扣减动作，那么这个时候进入我们运放的交流信号就不是我们设置的参考点了，R4和R5是来提供这个参考点的，通常我们选择的是R4等于R5）。如果你的输入或者输出不是轨对轨的话，尤其是输出不到轨的话，那么我们就可以设定偏执点根据输出电压范围来选择它一般的位置，C3同样是为了做低通滤波。采用同相输入方式的另外一个好处就是输入的阻抗非常大，因为我们是用的同相内部输入阻抗来用的，输入阻抗会相对高一些。

电路二、同相放大电路

反馈回路没有采用电阻分压的方式，而是用了一个隔直电容C4，然后接到地，也就是说它只提供了一个交流反馈回路，我们的交流信号从Vout反馈到地的时候呢，它的直流会被隔掉，只有交流会获取（因为电容是隔直流，通交流），就是提供了一个交流的反馈回路，直流信号会被阻隔下来。同相输入端呢，跟前面电路也稍微的不一样，当然也可以做成一样的，也可以通过两个电阻分压产生偏置电压，也是可以的。也可以像这个电路，用一个电阻呢接到一个参考电压上，这个参考电压一般通过运放产生（运放的动态反映时间很快（之前说的产生虚地的电路，就是一个跟随，两个电阻分压，加上一个电容，然后用跟随电路就产生了电压参考点，就可以直接接过来给到Vref）；当然也可以用LDO产生，比如用一个2.5伏的LDO接过来也是可以的）。C4的选择是有讲究的，不同信号频率我们这里选择不同的容值，计算起来较麻烦，因为C4和R2是对地的，还有形成一点滤波的效果它会对我们的信号形成一定的衰减，一般我们用经验值，当然你也可以通过仿真调试去看都可以。通常来说，音频信号（20HZ~20KHZ的信号）取1uF~10uF；如果频率更高（50KHZ~100KHZ）C4就不能取那么大了，一般是1nF~1uF（这里是经验值，也没有详细去计算，因为它的实际影响也不是特别的大）。

电路三同相放大电路

反相回路端也是接到一个虚地上去，可以是电阻分压（电路一），也可以是接到虚地上（电路三）。VCC/2最好用一个运放来产生；LDO也还行（会有噪声影响），不如直接用运放来产生的好，实际效果跟（电路1差不多）。增益就是R1/R2，因为同相放大至少放大1倍。

电路四反相放大电路

反相放大电路（就是从反相端输入），这里同样接了隔直电容，这个隔直电容是根据信号源来定的，频率越大，取值越小。R3和R4分压来做一个抬升参考点，也可以用一路运放来产生。这里电容必不可少，这里如果不加电容，电阻分压会产生电流噪声，电流噪声会叠加到同相输入端，加上C3就形成了一个低通滤波。反向放大就是输出会反相180度，因为是交流信号，那么正半周和负半周相当于是对调的，对音频信号来说没什么影响（有些争议，音频反相回来之后，还是有些不同，音乐发烧友讨论的，我们大部分人是听不出来这个差异的）。增益就是R1/R2，反馈臂上所并的电容C1同样不能取太大。

像交流信号输入端最好加隔直电容，这样可以把源信号的输入阻抗隔离开。对源信号的要求就降低了。

电路五反相放大电路

同相端直接用一路运放产生，也可以是LDO产生，产生一个偏置电压点，其它的注意事项和电路四是一样的，只是同相输入端产生的电压点的产生方式不同。

电路六直流差分放大电路

一般我们使用差分放大电路来处理音频，处理highside的电流检测就不是特别合适了，因为对电阻的精度要求非常高（1/1000的精度），对运放的共模电压抑制比要求也非常高，共模电压抑制比高的运放呢又超贵。所以在highside场合一般都用专用的器件，有一类器件就是把这4个电阻集成到了芯片的内部，这个电阻的精度是1/10000的精度（可以严格的配对R1=R3,R2=R4），这个时候它做highside电流检测就非常方便了。

项目中一般我们把差分电路用于交流信号的处理，直流信号用的少，在我们要求不高的地方也可以用直流信号（电阻精度尽量高（1/1000，如没有可以用1/100的），否则采集信号误差会大）。

要注意接法Vp、Vn的位置，传输函数是Vp-Vn，小心不能让Vout为负值，因为它输出不了负压（单电源供电）。Vref可以用722431产生也可以用一路运放产生，就是一定要加上一个偏置点，当然你也可以不加，但是要保证Vp要总是远远大于Vn的，也就是说Vref是可有可无的要根据实际信号来选择就好了，因为加入这个Vref对我们后续的ADC采集系统是要处理的，每一笔的采集必须做一个扣减，软件上处理很麻烦。

电路七交流差分放大电路

交流信号就没所谓了，电阻影响的是直流的偏置点电压，而交流信号是叠加在直流信号上的，通过隔直电容就可以把直流信号屏蔽掉，所以对交流信号的影响就会小很多。

电路八一阶低通滤波反相输入电路

注意：交流信号参考点一定要偏置上去，频率点就是1/2πRC，同相反相都可以。直流信号同相放大电路要做好RC滤波就可以了。

电路九一阶低通滤波同相输入电路

一定要注意这个虚地的偏置点一定要有。这个电路呢C2的电容并不是接到地上而是接到了VCC/2这个点上，反相回路也是接到了VCC/2这个点上，形成了单电源同相输入的一阶低通滤波。

电路十、一阶高通滤波同相输入电路

高阶低通滤波的话，这个电阻呢也不能直接接到地，需要接到VCC/2这个位置（双电源电阻是接地的），就是接到虚地上去，就是要保证你的交流信号都是在0轴以上（正半轴）。像上边的电路我们的增益设置是一倍的。看起来就像个跟随电路。

电路十一、一阶高通滤波同相输入电路

同样一阶高通滤波R1和反馈回路也要接到VCC/2上，增益就是1+R3/R2

8、交流信号电路中电容的取值

电容与电阻组成RC滤波，利用1/2πRC可以很容易的确定取值