放大器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)范圍

問(wèn)：運(yùn)放是否可以單電源供電?

這是很多人的疑問(wèn)，經(jīng)常被問(wèn)到。放大器有兩個(gè)供電管腳+V和-V,分別為正電源管腳和負(fù)電源管腳。單電源供電時(shí)，+V為正電源，-V為地。所有的放大器都可以單電源或是雙電源供電，最主要的區(qū)別是單/雙電源供電時(shí)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)范圍不同。

1放大器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)范圍

參照ADI官方網(wǎng)站上的放大器選型表，見(jiàn)下圖：

如果希望單電源供電時(shí)，輸入范圍可以到0V，那么需要選擇Rail to Rail紅框中”選定值”下面的In to
V-。當(dāng)然雙電供電時(shí)，意外著輸入范圍可以到負(fù)電源軌。

如果希望單電源供電時(shí)，輸入范圍可以是0V~+V，那么需要選擇紅框中”選定值”下面的Both，也就是我們常說(shuō)的軌到軌輸入。選擇Both之后，輸出也是軌到軌輸出。

如果紅框中”選定值”下面選擇了Output，那么此時(shí)只有輸出是軌到軌，輸入不是。

紅框中”選定值”下面還有一個(gè)選項(xiàng)是In to V+，意思是輸入范圍可以到正電源軌。

這四種選項(xiàng)代表了不同應(yīng)用對(duì)放大器輸入輸出信號(hào)范圍的不同需求。

圖|ADI放大器在線選型工具

2“Single Supply Opamp”單電源運(yùn)放

在芯片資料里，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)下圖所示的“Single Supply”字樣，這表示這顆器件在單電源供電時(shí)，輸入范圍最低可以到0V，與上面所說(shuō)的“In to
V-”是一個(gè)意思。一般把這種放大器叫單電源放大器。有句話說(shuō)的好，不是所有的放大器都是單電源放大器，但所有的放大器都可以單電源供電工作。

圖|ADA4625-1 單電源運(yùn)放

3單電源供電時(shí)需要注意的地方

單電源供電時(shí)，為了使電路能調(diào)理正負(fù)信號(hào)，放大器輸入需要加入偏置電壓。偏置電壓如果由電源經(jīng)過(guò)電阻分壓來(lái)產(chǎn)生，需要小心。下左圖為同相放大電路，右圖為反相放大電路，直流偏置電路在同相輸入端，由+Vs通過(guò)兩個(gè)100kΩ電阻得到Vs/2的直流偏置電壓。注意這里C2的取值，如果C2為0.1uF,
那么截止頻率為32Hz(1/(6.2850k0.1u)=32Hz), 電源及電阻的噪聲會(huì)被該低通濾波器濾除。大多情況下，建議使用更大的電容，比如10uF,
截止頻率為0.3Hz從而濾除更多的噪聲，使得直流偏置電壓信號(hào)更干凈。但更大的電容意外著上電后，輸出需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定到Vs/2。

圖|單電源放大電路的直流偏置

單電源供電，節(jié)省了負(fù)電源芯片的同時(shí)，也有諸多缺點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍，需要選擇較貴的單電源運(yùn)放或是軌到軌運(yùn)放。

直流偏置電路中的電阻會(huì)帶來(lái)額外的噪聲。

偏置電流流過(guò)直流偏置電阻會(huì)引入額外的直流電壓誤差。當(dāng)然可以在負(fù)輸入端加電阻來(lái)做平衡使得偏置電流的影響抵消，但有的運(yùn)放是無(wú)法抵消的，且增加的電阻會(huì)帶來(lái)噪聲。

為了濾除噪聲加的大電容，使得直流偏置電路的時(shí)間常數(shù)很大，導(dǎo)致上電后輸出會(huì)緩慢爬升到Vs/2。