單電源運(yùn)放簡(jiǎn)析

1、Page.23專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化姓名： 郭家勁、楊罡 學(xué)號(hào)： 3130104021 日期： 2014年6月23日 桌號(hào)： 裝 訂 線實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 電子與電路技術(shù) 指導(dǎo)老師： 祁才君 成績(jī)：_實(shí)驗(yàn)名稱： 單電源運(yùn)放的使用 實(shí)驗(yàn)類型：_同組學(xué)生姓名：_ _一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得討論專題 單電源運(yùn)放的使用我們學(xué)習(xí)中常見(jiàn)的運(yùn)算放大器的應(yīng)用都是基于雙電源運(yùn)放而設(shè)計(jì)的，但在實(shí)際應(yīng)用中，許多場(chǎng)合下單電源運(yùn)放的應(yīng)用更為普遍。 與雙電源運(yùn)放相比，單電源運(yùn)放不僅可以

2、單電源供電，而且也可以雙電源供電，兩種供電方式之間存在一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。研究單電源運(yùn)放的原理和基本使用方法，這樣我們就可以將基于雙電源運(yùn)放而設(shè)計(jì)的電路使用單電源運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。這將簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，擴(kuò)展運(yùn)放的使用。1、 單電源運(yùn)放的原理和基本使用方法1、 基本原理（以通用運(yùn)放LM358為例）裝 訂 線由圖3(a)，(b)可分別得到輸出電壓表達(dá)式：從上述的兩個(gè)表達(dá)式分析可得出，偏置電壓Vcc/2沒(méi)有被放大，而信號(hào)Vs能獲得足夠的放大倍數(shù)，無(wú)論輸入信號(hào)是從同相端接入還是從反向端接入都可以獲得不失真的波形；但是此時(shí)輸出電壓包含Vcc/2的直流分量，可以通過(guò)在輸出端加隔直電容C濾除直流偏壓，進(jìn)而得到只放大Vs的輸

3、出信號(hào)。2、 基本設(shè)計(jì)思路：為使電路能對(duì)交流信號(hào)放大而不失真，單電源供電的運(yùn)放兩輸入端和輸出端靜態(tài)電壓不能為0，必須大于輸出交流信號(hào)幅值，一般取電源電壓Vcc值的一半。采用單電源對(duì)集成運(yùn)放供電的常用設(shè)計(jì)方法是在雙電源供電原理圖的基礎(chǔ)上改進(jìn)，把集成運(yùn)放兩輸入端電位同時(shí)抬高（通常抬高至電源電壓的一半，即Vcc/2），抬高后的這個(gè)電位就相當(dāng)于雙電源供電時(shí)的“地”電位（一般稱為“虛地”），因此在靜態(tài)工作時(shí)，輸出端的電位也將等于兩輸入端的靜態(tài)電位Vcc/2。3、 單電源運(yùn)放的偏置方法（1） 電阻分壓法如圖(a)所示，這是一種最常用的偏置方法。通過(guò)用2個(gè)100 k的電阻R1、R2組成分壓網(wǎng)絡(luò)，形成Vcc/

4、2的偏置電壓，該方法不僅簡(jiǎn)單而且成本低。但是當(dāng)偏置電壓源的輸出阻抗大時(shí)，輸出電流的變化對(duì)偏置電壓精度的影響很大。因此電阻分壓法一般適用于偏置電壓精度要求不高的場(chǎng)合。（2） 運(yùn)放電壓跟隨器法裝 訂 線原理圖如圖(b)所示，圖中V cc被R1、R2分壓后接到由單電 源運(yùn)放組成的電壓跟隨器，進(jìn)而形成Vcc/2的偏置電壓源。該電路具有很高的輸入阻抗與很低的輸出阻抗。這樣運(yùn)放的輸出端可以看作一個(gè)Vcc/2的恒壓源，輸出電流的變化對(duì)偏置電壓幾乎沒(méi)有影響，因此獲得精確的偏置電壓。但是由于增加了一個(gè)單電源運(yùn)放，這種方法的成本比較高。（3） 射級(jí)電壓跟隨器法原理圖如圖(c)所示。該方法與運(yùn)放電壓跟隨器法相似，但

5、是這里采用三極管Q組成的射極電壓跟隨器作為電阻分壓的輸出級(jí)。射級(jí)電壓跟隨器同樣具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特性，因此該方法也可以避免電阻分壓法中輸出阻抗高的不足。并且由于只增加了1個(gè)三極管，成本也比運(yùn)放電壓跟隨器法低。但是根據(jù)偏置電壓計(jì)算得到的電阻值經(jīng)常需要結(jié)合實(shí)際電阻值選擇，因此偏置電往往壓存在誤差。2、 單電源反相放大、同相放大和差分放大電路設(shè)計(jì)和仿真分析基本設(shè)計(jì)原理圖：反向和同向放大電路差分放大電路裝 訂 線1、 單電源反相放大電路設(shè)計(jì)仿真電路圖：示波器觀察裝 訂 線瞬態(tài)掃描裝 訂 線直流工作點(diǎn)分析交流掃描裝 訂 線2、 單電源同相放大電路設(shè)計(jì)仿真電路圖：裝 訂 線示波器觀察：瞬態(tài)掃描：

6、裝 訂 線直流工作點(diǎn)分析：交流掃描：裝 訂 線3、 單電源差分放大電路設(shè)計(jì)仿真電路圖：裝 訂 線示波器觀察：瞬態(tài)掃描：裝 訂 線直流工作點(diǎn)分析交流掃描裝 訂 線4、 雙電源反相放大電路設(shè)計(jì)仿真電路圖：裝 訂 線示波器觀察瞬態(tài)掃描裝 訂 線直流工作點(diǎn)交流掃描裝 訂 線5、 雙電源同向放大電路設(shè)計(jì)仿真電路圖：裝 訂 線示波器觀察瞬態(tài)掃描裝 訂 線直流工作點(diǎn)交流掃描裝 訂 線6、 雙電源差分放大電路設(shè)計(jì)仿真電路圖：裝 訂 線示波器觀察瞬態(tài)掃描裝 訂 線直流工作點(diǎn)交流掃描裝 訂 線7、總結(jié)：仿真結(jié)果證明，本實(shí)驗(yàn)中單電源運(yùn)放電路可以基本達(dá)到與雙電源運(yùn)放電路相同的放大效果，證明單電源運(yùn)放電路的供電方式符合

7、題目設(shè)計(jì)要求。需注意的是，仿真實(shí)驗(yàn)的偏置方法皆為運(yùn)放跟隨器法。3、 單電源運(yùn)放與雙電源運(yùn)放的使用區(qū)別1、單電源工作下需要考慮的實(shí)際問(wèn)題：裝 訂 線（1）在單電源應(yīng)用中，對(duì)放大器性能的最直接影響是輸入和輸出信號(hào)范圍會(huì)縮?。唬?）由于輸入和輸出信號(hào)的偏移度更小，放大器電路對(duì)內(nèi)部和外部誤差源變得更敏感；（3）在某些低壓?jiǎn)坞娫雌骷校鲆婢纫矔?huì)降低，因此需要仔細(xì)考慮器件選型。（4）輸入輸出時(shí)必須使用隔直電容。2、適用場(chǎng)合：在某些場(chǎng)合（如手持式設(shè)備供電）只能使用單電源運(yùn)放。當(dāng)對(duì)放大精度和穩(wěn)定性要求很高的場(chǎng)合，最好使用雙電源方式，但不絕對(duì)，運(yùn)放供電方式的選擇視實(shí)際情況而定。在實(shí)際應(yīng)用中，單電源運(yùn)放可直接

8、使用雙電源供電；單電源運(yùn)放也可使用單電源供電模式，但要設(shè)置偏置（虛地）。這會(huì)在后面的對(duì)比中詳細(xì)敘述。3、電壓范圍運(yùn)放的輸出電壓范圍肯定要小于它的工作電源電壓范圍，例如工作在單正電源下的運(yùn)放其輸出電壓只能在正電壓范圍內(nèi)而且最地輸出電壓高與0V，最高輸出電壓低于電源電壓。而工作在正負(fù)雙電源下的運(yùn)放其輸出電壓就可以跨越正負(fù)電壓。通常一個(gè)運(yùn)放既可以在單電源下工作也可以在雙電源下工作，但是工作在雙電源下時(shí)其電源電壓范圍要小于單電源的范圍。例如LM358在單正電源工作時(shí)的最高電源電壓為30V，而在對(duì)稱雙電源下工作時(shí)的最大正負(fù)電源電壓為+15V和-15V，當(dāng)然它也可以在不對(duì)稱雙電源下工作，此時(shí)的最大正負(fù)電源

9、電壓差為30V。4、對(duì)供電條件的要求在運(yùn)放的datasheet上，如果電源電壓寫(xiě)的是（3V30V）/（±1.5V±15V）如324，則這個(gè)運(yùn)放就是單電源運(yùn)放，既能夠單電源供電，也能夠雙電源供電；如果電源電壓是（±1.5V-±15V）如741，則這個(gè)運(yùn)放就是雙電源運(yùn)放，僅能采用雙電源供電。下面就來(lái)分析要放大不同類型的信號(hào)，單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放對(duì)于供電系統(tǒng)的要求：（1）對(duì)于直流信號(hào)的放大采用單電源運(yùn)放進(jìn)行放大：?jiǎn)坞娫垂╇姾碗p電源供電都可以正常完成放大工作；采用雙電源運(yùn)放進(jìn)行放大：最好選擇正負(fù)雙電源供電，否則輸入信號(hào)幅度較小時(shí)，可能無(wú)法正常工作；（2）對(duì)于交

10、流信號(hào)的放大采用單電源運(yùn)放進(jìn)行放大：可以運(yùn)用雙電源供電完成工作，如采用單電源供電則須添加個(gè)偏置，即“虛地”。而偏置的結(jié)果是把供電所采用的單電源相對(duì)的變成“雙電源”，不然，將會(huì)丟失負(fù)半周期的輸出信號(hào)；采用雙電源運(yùn)放進(jìn)行放大：可以運(yùn)用雙電源供電完成工作。不能采用單電源供電，由datasheet知，對(duì)雙電源運(yùn)放采用單電源供電放大交流信號(hào)不滿足工作條件將會(huì)不能正常工作?？梢?jiàn)單電源運(yùn)放既能夠單電源供電，也能夠雙電源供電，能完成多種不同要求的信號(hào)在不同供電系統(tǒng)中的放大要求。適用范圍更廣。4、 心得和體會(huì)單電源運(yùn)放在放大原理上與雙電源運(yùn)放沒(méi)有實(shí)質(zhì)的區(qū)別，對(duì)于跨越0位的交流信號(hào)只需將信號(hào)抬高一定的幅值（一般為

11、Vcc/2）便可以實(shí)現(xiàn)與雙電源運(yùn)放相同范圍的信號(hào)放大，即“相對(duì)”的雙電源運(yùn)放；信號(hào)的抬高（即“虛地”）的實(shí)現(xiàn)通常有電阻分壓法、運(yùn)放電壓跟隨器法、射級(jí)電壓跟隨器法三種，其中電阻分壓成本最低，但輸出電流的變化對(duì)偏置電壓精度的影響很大；運(yùn)放電壓跟隨器法的輸出進(jìn)度最高，最穩(wěn)定（擁有很大的輸入電阻、很小的輸出電阻可看成恒壓源），但成本較高；在單電源運(yùn)放實(shí)現(xiàn)后，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在放大倍數(shù)、相位關(guān)系上都十分完美。但需注意，單電源運(yùn)放會(huì)輸出一個(gè)Vcc/2的直流偏置，須添加個(gè)隔直電容；單電源運(yùn)放芯片具有既能夠單電源供電，也能夠雙電源供電的優(yōu)勢(shì)，能完成多種不同要求的信號(hào)在不同供電系統(tǒng)中的放大要求。雙電源向單電源的轉(zhuǎn)

12、化是可以實(shí)現(xiàn)的，只是需要在輸入端加信號(hào)基準(zhǔn)電平提升電路，輸出端的靜態(tài)電平也不再為零，因此由雙電源改用單電源接法后更適合放大交流信號(hào)。5、 合作分工說(shuō)明郭家勁：?jiǎn)坞娫催\(yùn)放的原理；仿真實(shí)驗(yàn)。裝 訂 線楊罡：?jiǎn)坞娫催\(yùn)放與雙電源運(yùn)放的區(qū)別；心得體會(huì)與其他；排版與校正。6、 探索歷程，滿足和遺憾討論題的起步較晚，沒(méi)有頭緒，但在聽(tīng)取了課堂上同學(xué)們的分享后得到了很大的啟發(fā)，在查閱相關(guān)資料后原理總結(jié)、仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的相對(duì)順利。但在分析單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放使用的區(qū)別時(shí)，因?yàn)橘Y料的匱乏，總結(jié)起來(lái)相對(duì)困難。但實(shí)現(xiàn)討論題的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，整個(gè)過(guò)程還是十分成功，令人滿足的。遺憾的是在分析單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放使用的區(qū)別時(shí)并沒(méi)有在仿真實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)。也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)量化數(shù)據(jù)的說(shuō)明。