避免單電源應(yīng)用中的運(yùn)算放大器不穩(wěn)定問(wèn)題

單電源還是雙電源？

雖然采用平衡雙電源實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器電路是有利的，但在許多實(shí)際應(yīng)用中，出于節(jié)能或其他原因，單電源操作是必要或可取的。例如，汽車和船舶設(shè)備中的電池電源僅提供單極性。即使是線路供電設(shè)備，如計(jì)算機(jī)，也可能只有一個(gè)單極性內(nèi)置電源，為系統(tǒng)提供+5 V或+12 V直流電源。在處理模擬信號(hào)時(shí)，單電源操作的一個(gè)共同特點(diǎn)是在每個(gè)階段都需要額外的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)男盘?hào)偏置。如果不仔細(xì)考慮和執(zhí)行，可能會(huì)遇到不穩(wěn)定和其他問(wèn)題。

電阻偏置的常見(jiàn)問(wèn)題

單電源運(yùn)算放大器應(yīng)用存在固有的問(wèn)題，這些問(wèn)題在雙電源電路中通常不會(huì)遇到。根本問(wèn)題是，如果信號(hào)要相對(duì)于“公共”擺動(dòng)正負(fù)，則該零信號(hào)基準(zhǔn)電壓必須在電源軌之間處于固定電平。雙電源的主要優(yōu)點(diǎn)是其公共連接提供穩(wěn)定的低阻抗零基準(zhǔn)電壓源。兩個(gè)電源電壓通常相等且相反（并且經(jīng)常跟蹤），但這不是絕對(duì)必要的。對(duì)于單電源，必須通過(guò)引入額外的電路來(lái)提供某種形式的偏置，以在適當(dāng)?shù)闹虚g電源電壓下保持公共信號(hào)，從而人為創(chuàng)建這樣的節(jié)點(diǎn)。

由于通常需要對(duì)稱限制較大的輸出值，因此偏置通常建立于額定放大器輸出范圍的中點(diǎn)，或（為方便起見(jiàn)）在電源電壓的一半處建立。實(shí)現(xiàn)此目的的最有效方法是使用穩(wěn)壓器，如圖 6 所示;然而，一種流行的方法是用一對(duì)電阻器分接電源電壓。雖然看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但它存在問(wèn)題。

為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，圖1所示電路是一個(gè)交流耦合同相放大器，它有幾個(gè)設(shè)計(jì)弱點(diǎn)。信號(hào)以容性耦合方式輸入和輸出。交流耦合輸入的平均值偏置至Vs/2 由 R一個(gè)-RB分頻器對(duì)，帶內(nèi)增益為G = 1 + R2/R1。通過(guò)將反饋與R1和C1建立的零點(diǎn)進(jìn)行電容耦合，直流“噪聲增益”降低到單位，從而使輸出的直流電平等于偏置電壓。這樣可以避免由于放大器輸入失調(diào)電壓的過(guò)度放大而導(dǎo)致失真。放大器的閉環(huán)增益從高頻時(shí)的（1+R2/R1）滾降到直流時(shí)的單位增益，在f=1/[2π R1 C1]和f=1/[2π （R1 + R2） C1]處的斷路頻率，引入相移，增加與輸入和輸出耦合電路相關(guān)的相移。

圖1.潛在不穩(wěn)定的單電源運(yùn)算放大器電路。

這種簡(jiǎn)單的電路還有其他潛在的嚴(yán)重限制。首先，運(yùn)算放大器抑制電源電壓變化的固有能力是無(wú)濟(jì)于事的，因?yàn)殡娫措妷旱娜魏巫兓紩?huì)直接改變V電壓。s/2電阻分壓器設(shè)定的偏置電壓。雖然這在直流時(shí)不會(huì)造成問(wèn)題，但電源端子上出現(xiàn)的任何共模噪聲都會(huì)與輸入信號(hào)一起被放大（最低頻率除外）。增益為 100 時(shí)，20 毫伏的 60 Hz 紋波和嗡嗡聲將在輸出端放大至 1 伏電平。

更糟糕的是，在運(yùn)算放大器必須向負(fù)載提供大輸出電流的電路中，可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定。除非電源得到良好的調(diào)節(jié)（并很好地旁路），否則電源線上將出現(xiàn)顯著的信號(hào)電壓。當(dāng)運(yùn)算放大器的同相輸入直接從電源線引用時(shí)，這些信號(hào)將直接反饋到運(yùn)算放大器，通常以相位關(guān)系產(chǎn)生“摩托艇”或其他形式的振蕩。

雖然使用極其謹(jǐn)慎的布局、多電容電源旁路、星形接地和印刷電路板“電源層”都有助于降低噪聲并保持電路穩(wěn)定性，但最好采用電路設(shè)計(jì)更改，以改善電源抑制。這里建議一些。

將偏置網(wǎng)絡(luò)與電源去耦

解決方案的一個(gè)步驟是旁路偏置分壓器，并提供一個(gè)單獨(dú)的輸入返回電阻，修改電路，如圖2所示。分壓器上的抽頭點(diǎn)現(xiàn)在由電容C2旁路交流信號(hào)，以恢復(fù)交流電源抑制。電阻 Rin 取代 Ra/2 作為交流信號(hào)的電路輸入阻抗，還為 + 輸入提供直流返回路徑。

圖2.去耦單電源運(yùn)算放大器偏置電路。

R 的值一個(gè)和 RB當(dāng)然應(yīng)該盡可能低;此處選擇的 100 K 歐姆值旨在節(jié)省電源電流，就像在電池供電應(yīng)用中可能希望的那樣。旁路電容值也應(yīng)仔細(xì)選擇。帶 100k/100k 歐姆分壓器，用于 R一個(gè)和 RBC0的電容值為1.2μF或類似電容值，該網(wǎng)絡(luò)阻抗的-3dB帶寬，由R的并聯(lián)組合設(shè)置一個(gè)/ 1B和 C2，等于 1/[2π （R一個(gè)/2）C2] = 32 Hz。雖然這比圖1有所改進(jìn)，但共模抑制降至32 Hz以下，允許在低信號(hào)頻率下通過(guò)電源進(jìn)行大量反饋。這需要更大的電容器，以避免“摩托艇”和其他不穩(wěn)定的表現(xiàn)。

一種實(shí)用的方法是增加電容器C2的值。使其足夠大，可以在電路通帶內(nèi)的所有頻率上有效地旁路分壓器。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是將此極點(diǎn)設(shè)置為–3 dB輸入帶寬的十分之一，由R設(shè)置。在/C在和 R1/C1.

放大器在直流時(shí)的增益仍然是統(tǒng)一的。即便如此，仍需要考慮運(yùn)算放大器的輸入偏置電流。R在，與 R 串聯(lián)一個(gè)/RB分壓器與運(yùn)算放大器的正輸入端串聯(lián)時(shí)增加了相當(dāng)大的電阻。使用具有對(duì)稱平衡輸入的普通電壓反饋運(yùn)算放大器，可以通過(guò)選擇R2來(lái)平衡該電阻，從而保持運(yùn)算放大器的輸出接近中間電源。

根據(jù)電源電壓的不同，在增加電源電流和提高放大器偏置電流靈敏度之間提供合理折衷的典型值范圍為+100 V或+15 V單電源的12 k歐姆，42 V電源的5 k歐姆和27.3 V的3 k歐姆。

專為高頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的放大器（尤其是電流反饋型）需要使用低輸入和反饋電阻，以便在存在雜散電容的情況下保持帶寬。AD811等運(yùn)算放大器專為視頻速度應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用1 k歐姆電阻供電R2時(shí)通常具有最佳性能。因此，這些類型的應(yīng)用需要在R中使用更小的電阻值一個(gè)/RB分壓器（和更高的旁路電容）可最大限度地降低輸入偏置電流并避免低頻不穩(wěn)定。

由于其低偏置電流，在采用現(xiàn)代FET輸入運(yùn)算放大器的應(yīng)用中，對(duì)平衡輸入電阻的需求并不大，除非電路需要在非常寬的溫度范圍內(nèi)工作。在這種情況下，平衡運(yùn)算放大器輸入端子中的電阻仍然是一種明智的預(yù)防措施。

圖3顯示了在反相放大器的情況下如何應(yīng)用偏置和旁路。

圖3.去耦單電源反相放大器電路。

電阻分壓器偏置技術(shù)成本低，可將運(yùn)算放大器的直流輸出電壓保持在VS/2，但運(yùn)算放大器的共模抑制仍然取決于R形成的RC時(shí)間常數(shù)一個(gè)||RB和電容器 C2。使用至少 2 倍于輸入 RC 耦合網(wǎng)絡(luò)（R10/C1 和 R ）的 RC 時(shí)間常數(shù)的 C1 值在/C在）將有助于確保合理的共模抑制比。帶 100k 歐姆電阻器，用于 R一個(gè)和 RB，只要電路帶寬不太低，C2的實(shí)際值就可以保持相當(dāng)小。

齊納二極管偏置

一種更有效的方式來(lái)提供必要的 VS單電源供電的偏置/2是使用齊納二極管穩(wěn)壓器，如圖4所示。此處，電流通過(guò)電阻R提供給齊納二極管。 電容器CN有助于減少運(yùn)算放大器輸入端出現(xiàn)的齊納噪聲。

圖4.采用齊納二極管偏置的同相單電源放大器。

應(yīng)選擇工作電壓接近V的齊納二極管S/2.電阻器 RZ需要選擇以提供足夠高的電流，以使齊納在其穩(wěn)定的額定電壓下運(yùn)行，并保持齊納輸出噪聲較低。然而，最小化功耗（和加熱）并避免損壞齊納器也很重要。由于運(yùn)算放大器輸入從基準(zhǔn)電壓源吸收的電流很少，因此最好選擇低功耗二極管。額定功率為 250 mW 的設(shè)備是最好的，但更常見(jiàn)的 500 mW 類型也是可以接受的。理想的齊納電流因制造商而異，但實(shí)用 Iz500 μA（250 mW 器件）和 5 mA（500 mW 器件）之間的電平通常是此應(yīng)用的良好折衷方案。

在齊納二極管的工作限值內(nèi)，圖4所示電路基本上提供低基準(zhǔn)電平阻抗，從而恢復(fù)運(yùn)算放大器的電源抑制。好處是巨大的，但有一個(gè)代價(jià)：消耗更多的功率，運(yùn)算放大器的直流輸出由齊納電壓固定，而不是V。S/2.如果電源電壓大幅下降，則大信號(hào)上可能會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱削波。此外，仍然需要考慮輸入偏置電流。電阻器 R在R2應(yīng)接近相同的值，以防止輸入偏置電流產(chǎn)生很大的失調(diào)電壓誤差。

圖5是采用相同齊納偏置方法的反相放大器電路。

圖5.采用齊納二極管偏置的反相單電源放大器。

表1顯示了一些常見(jiàn)的齊納二極管類型，可以選擇這些類型為各種電源電壓電平提供中間電源偏置。為方便起見(jiàn)，實(shí)用的RZ提供的值用于提供電路 5 和 0 中的 5mA 和 4.5mA 器件電流。為了降低電路噪聲，可以參考制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)選擇最佳齊納電流。

表 1.建議的齊納二極管部件號(hào)（摩托羅拉類型）和Rz值，用于圖4和圖5。

使用線性穩(wěn)壓器的運(yùn)算放大器偏置

對(duì)于采用+3.3 V標(biāo)準(zhǔn)工作的運(yùn)算放大器電路，需要+1.65 V偏置電壓。齊納二極管通常只能提供低至+2.4 V的電壓，但1.225 V的AD589和AD1580帶隙并聯(lián)穩(wěn)壓器可以像齊納二極管一樣使用，以低阻抗提供固定（但不是中心）電壓。在低阻抗（例如，VS/2）是使用線性穩(wěn)壓器，如ADM663A或ADM666A，如圖6所示。其輸出可在1.3至16 V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并為2 V至16.5 V的單電源電壓提供低阻抗偏置。

圖6.采用線性穩(wěn)壓器的運(yùn)算放大器單電源偏置電路。

直流耦合單電源電路

到目前為止，只討論了交流耦合運(yùn)算放大器電路。雖然使用合適的大輸入和輸出耦合電容，交流耦合電路可以在遠(yuǎn)低于1 Hz的頻率下工作，但某些應(yīng)用需要真正的直流輸入和輸出耦合。在低阻抗下提供恒定直流電壓的電路，例如上面討論的齊納二極管和穩(wěn)壓器，可用于提供“接地”電壓。

或者，VS圖2至圖1的/3偏置電阻可由運(yùn)算放大器緩沖，以提供低阻抗“幻象接地”電路，如圖7所示。如果低壓電池是電源，比如+3.3V，運(yùn)算放大器應(yīng)該是“軌到軌”器件，能夠在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)有效工作。運(yùn)算放大器還需要能夠提供足夠大的正或負(fù)輸出電流，以滿足主電路的負(fù)載要求。電容C2旁路分壓器以衰減電阻噪聲。該電路不需要提供電源抑制，因?yàn)樗鼘⑹冀K以電源電壓的一半驅(qū)動(dòng)公共端子（“接地”）。

圖7.使用運(yùn)算放大器為電池供電的直接耦合應(yīng)用提供“幻象接地”。

電路導(dǎo)通時(shí)間問(wèn)題

需要考慮的最后一個(gè)問(wèn)題是電路導(dǎo)通時(shí)間。近似導(dǎo)通時(shí)間取決于所使用的最低帶寬濾波器的RC時(shí)間常數(shù)。

此處所示的無(wú)源偏置電路都需要 R一個(gè)||RB-C2分壓器網(wǎng)絡(luò)具有比輸入或輸出電路長(zhǎng)10×的時(shí)間常數(shù)。這是為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)（因?yàn)樽疃嗳齻€(gè)不同的RC極點(diǎn)設(shè)置輸入帶寬）。這個(gè)長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)還有助于防止偏置網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)算放大器的輸入和輸出網(wǎng)絡(luò)之前“開(kāi)啟”，從而允許運(yùn)算放大器的輸出從零伏逐漸爬升至VS/2無(wú)需驅(qū)動(dòng)至正電源軌。所需的 3 dB 轉(zhuǎn)折頻率是 R1C10 和 R 的 1/1負(fù)荷C外.例如：在圖2中，對(duì)于10 Hz的電路帶寬和10的增益，2 μF的C3值提供3 Hz的1 dB帶寬。

與 R一個(gè)||RB=50，000 歐姆，一個(gè) 3μF 電容器可提供 0.15 秒的 RC 時(shí)間常數(shù)。因此，運(yùn)算放大器的輸出大約需要0.2至0.3秒才能合理接近V。S/2.同時(shí)，輸入和輸出RC網(wǎng)絡(luò)，充電速度將提高十倍。

在電路導(dǎo)通時(shí)間可能過(guò)長(zhǎng)的應(yīng)用中，齊納或有源偏置方法可能是更好的選擇。

審核編輯：郭婷