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单电源问题

大部分运放都采取正负对称的双电源供电,也有部分运放在其数据手册中解释是单电源供电。由于这个缘故原由,一些设计者在碰着全体系统只有一个电源的情形下,就开始寻求单电源运放。
但是,运放的单电源供电是一个伪命题。
先看一个范例的“单电源运放”LM358,图1是这个运放的几个极限参数。
图1 单电源运放LM358的几个极限参数
由图1可知,LM358的供电电源可以是单电源,也可以是双电源。单电源的话其最高电源电压是+32V,双电源的话则是正负16V。
把稳图中末了一行:输入共模电压范围。
我们知道,由于运放作为放大器事情时总是处于深度负反馈状态,其两个输入真个电位基本上是相同的,以是输入共模电压范围实际上便是运放的输入旗子暗记动态范围。这个运放的输入动态范围从-0.3V到32V,这个范围是针对单电源运用而言的,也便是说输入电压范围比全体电源电压范围还要略大一些。
作为比较,我们再看一个范例的双电源运放LF356,图2是它的几个极限参数。
图2 双电源运放LF356的几个极限参数
这个运放的参数表直接给出了输入电压范围:在电压电压即是正负22V的条件下其输入电压范围为正负20V(或者在电压电压即是正负18V的条件下其输入电压范围为正负16V),也便是说输入电压范围不能到达电源电压的范围。
这两个运放的输入范围的差别源于它们的输入电路构造不同。这个问题我们在这里不作深入谈论,希望理解的读者可以自己去看数据手册。
显然,若一个输入旗子暗记的电压范围从0V到某个电平的话,以单电源事情模式的LM358可以直接知足输入电压的哀求而正常事情。但若用LF356接成单电源模式(即将它的负电源接到0V),那么在输入电压为0V旁边的时候运放将不能正常事情。这便是LM358之类的运放被称为“单电源运放”的缘故原由。
但是,常见的输入旗子暗记因此“地”为中央正负摆动的旗子暗记,这种情形下纵然是“单电源运放”也无法正常事情。
电源对付运放而言,具有两个浸染。其一是供应能源,其二是供应一个“地”即参考电位。显然,从供应能源这一点来看,双电源与单电源没有差别,以是单电源与双电源的根本差别便是那个“地”。
对付一个放大器来说,“地”仅仅是一个参考电平,任何一个稳定又确定的电位都可以作为这个参考电平也便是“地”。以是从原则上说,任何一个运放都可以在单电源或双电源、乃至不对称的分裂电源条件下正常事情。下面就本文开始时提到的双电源运放在单电源条件事情的情形进行谈论。
这种情形下,运放正常事情的关键是供应一个得当的“地”电平,常日这个电平位于电源电压的一半位置。一个常用的办法见图3,个中左侧的运放接成跟随器构成“旗子暗记地”,当个中两个电阻的阻值相等时,旗子暗记地的直流电位即是电源电压的一半。然后将全体放大电路中其他运放的“地”(除了负电源)都接到这个“旗子暗记地”上,图中右侧是一个同相放大器的例子。
图3 用运放构成旗子暗记地发生器,作为其他运放的地电平
须要把稳的是:图3电路的旗子暗记地(运放输出)的阻抗极低,不须要再加入任何退耦电容,也不应该加入任何电容,由于一个电容负载极可能引起它的自激振荡。
但是图3电路中有一个限定,便是旗子暗记源的地必须接到旗子暗记地上。在有些场合下可能旗子暗记源的地必须接到电源地,这种情形下可以根据旗子暗记的特色作不同的处理。
1、如果旗子暗记没有直流或准直流分量,那么只要在旗子暗记源与放大器之间插入一个耦合电容即可。此时这个耦合电容可以隔断直流分量,使得旗子暗记源与放大器的直流电平互异,但是不会影响互换旗子暗记的放大。基本上所有的高频放大器都是单电源的,便是基于这个事理。
实在,在这种互换放大器中,只要能够将运放的参考地电位处理好,前面的旗子暗记地发生器也可以不用。图4便是单电源事情的互换同相放大器与互换反相放大器电路。该电路中同相放大器的运放两个输入端、反相放大器的运放同相输入端都采取两个等值的电阻(这两个电阻的并联值该当即是正常的设计值)接到电源与地,以是这些输入真个直流电平都是电源电压的一半。由于运放的负反馈浸染,在输入旗子暗记为0时运放的输出电平也是电源电压的一半。
图4 单电源互换旗子暗记放大器
2、如果旗子暗记带有直流或准直流分量,那么不能用耦合电容隔断直流,此时该当通过电平移动的形式将旗子暗记源的输出低电平移动到旗子暗记地的电平。
图5便是这样一个电平移动电路(实际上便是一个同相加法器),在这个电路中若两个电阻的阻值相等,则输出的旗子暗记电平被平移了0.5Vcc,也便是将旗子暗记源的地电平移到了旗子暗记地的电平。
图5 旗子暗记源电平移动电路
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悬浮的电源
前面图3电路中用一个运放构成了旗子暗记地发生器,那么是不是可以用一个电源模块作为旗子暗记地发生器呢?例如运放的电源电压采取24V,再用一个LM7812电路产生一个12V电压作为旗子暗记地。
回答是不可以。缘故原由是这种电源模块的输出电流是单向的,例如LM78xx系列的输出电流是由模块向外流的(Source),LM79xx系列的输出电流是由外电路流向模块内的(Sink)。但是在一个放大器中,终极流向旗子暗记地的总电流方向可能是双向的,那样的话电源模块将不可能供应稳定的低阻抗电平。
类似的问题是运放的悬浮电源。
在一些比较分外的运放运用电路中,运放的电源电压可能是悬浮的。例如一个放大器系统,个中主供电电压是+24V,而某级运放的事情电压哀求是:正电源电压端(VCC)为+18V,负电源电压端(VEE)为+12V,旗子暗记地电平为+15V,那么该如何设计这几个电压源呢?
显然,旗子暗记地可以采取前面任意一种得当的电路。
由于两个电源的电路有较大的功率需求,以运放作为电源利用不得当,以是要用电源模块,但是须要考虑电流的流向。
VCC电源(+18V)的电流是从电源流向运放,以是用一个LM7818作为电源没有问题。
VEE电源(+12V)的电流是从运放流向电源,以是不能用LM78xx系列的电源模块,该当用LM79xx系列的模块。但是LM79xx系列电源模块的输入输出电压均为负电压,以是不能按照传统的接法以0电压作为它的参考电平,而要以主供电电压(+24V)作为该模块的参考电平,以0电压作为模块的输入电压。此时运放的VEE电源(+12V)相对付主供电电压(+24V)为-12V,采取的模块该当是LM7912。这个运放末了的供电电路如图6所示。
图6 放大器的悬浮电源








