放大器的输入信号和输出信号范围

Baekhyn0506 2023-10-31 1285

模拟技术

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问：运放是否可以单电源供电?

这是很多人的疑问，经常被问到。放大器有两个供电管脚+V和-V,分别为正电源管脚和负电源管脚。单电源供电时，+V为正电源，-V为地。所有的放大器都可以单电源或是双电源供电，最主要的区别是单/双电源供电时的输入信号和输出信号范围不同。

1放大器的输入信号和输出信号范围

参照ADI官方网站上的放大器选型表，见下图：

如果希望单电源供电时，输入范围可以到0V，那么需要选择Rail to Rail红框中”选定值”下面的In to
V-。当然双电供电时，意外着输入范围可以到负电源轨。

如果希望单电源供电时，输入范围可以是0V~+V，那么需要选择红框中”选定值”下面的Both，也就是我们常说的轨到轨输入。选择Both之后，输出也是轨到轨输出。

如果红框中”选定值”下面选择了Output，那么此时只有输出是轨到轨，输入不是。

红框中”选定值”下面还有一个选项是In to V+，意思是输入范围可以到正电源轨。

这四种选项代表了不同应用对放大器输入输出信号范围的不同需求。

图|ADI放大器在线选型工具

2“Single Supply Opamp”单电源运放

在芯片资料里，有时会出现下图所示的“Single Supply”字样，这表示这颗器件在单电源供电时，输入范围最低可以到0V，与上面所说的“In to
V-”是一个意思。一般把这种放大器叫单电源放大器。有句话说的好，不是所有的放大器都是单电源放大器，但所有的放大器都可以单电源供电工作。

图|ADA4625-1 单电源运放

3单电源供电时需要注意的地方

单电源供电时，为了使电路能调理正负信号，放大器输入需要加入偏置电压。偏置电压如果由电源经过电阻分压来产生，需要小心。下左图为同相放大电路，右图为反相放大电路，直流偏置电路在同相输入端，由+Vs通过两个100kΩ电阻得到Vs/2的直流偏置电压。注意这里C2的取值，如果C2为0.1uF,
那么截止频率为32Hz(1/(6.2850k0.1u)=32Hz), 电源及电阻的噪声会被该低通滤波器滤除。大多情况下，建议使用更大的电容，比如10uF,
截止频率为0.3Hz从而滤除更多的噪声，使得直流偏置电压信号更干净。但更大的电容意外着上电后，输出需要更长的时间来稳定到Vs/2。

图|单电源放大电路的直流偏置

单电源供电，节省了负电源芯片的同时，也有诸多缺点。

为实现更大的动态范围，需要选择较贵的单电源运放或是轨到轨运放。

直流偏置电路中的电阻会带来额外的噪声。

偏置电流流过直流偏置电阻会引入额外的直流电压误差。当然可以在负输入端加电阻来做平衡使得偏置电流的影响抵消，但有的运放是无法抵消的，且增加的电阻会带来噪声。

为了滤除噪声加的大电容，使得直流偏置电路的时间常数很大，导致上电后输出会缓慢爬升到Vs/2。

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