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单电源集成运算放大器的应用探讨
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2014年10月
单电源集成运算放大器的应用探讨
一、摘要：
集成运算放大器在模拟电路中发挥的作用越来越重要，其应用已经延伸到汽车电子通信电子产品、消费电子产品等各个领域。

经典的运算放大器应用电路，都是建立在双电源供电的基础上，而为了方便使用单电源供电。

文章分析了集成运算放大器单电源供电的原理，探讨了单电源供电的几种典型应用电路。

二、集成运放的分类及特性：
1.根据制造工艺，集成运算放大器可以分为标准硅工艺运算放大器、在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器、在标准硅工艺中加入了MOS
工艺的运算放大器三种类型。

（1）标准硅工艺运算放大器标准硅工艺运算放大器的输入级采用的是NPN-PNP三极管，其特点是：开环输入阻抗低，输入噪声低、增益稍低、成本低，精度不太高，功耗较高。

典型开环输入阻抗在1兆欧姆数量级，增益一般在80～110dB之间，温度漂移指标目前可以达到0.15ppm，典型器件的代表是LM324。

（2）结型场效应管工艺运算放大器结型场效应管工艺运算放大器主要是将标准硅工艺的集成运算放大器的输入级改进为结型场效应管，大大提高运放的开环输入阻抗和转换速度，典型开环输入阻抗在1000兆欧姆数量级，典型器件的代表是TL084。

（3）CMOS场效应管工艺运算放大器MOS场效应管（或CMOS）工艺运算放大器又分为三种：输入级为MOS场效应管、全MOS场效应管、全MOS场效应管工艺的模拟数字混合运算放大器。

其特点是：输入阻抗在1012欧姆数量级，输入失调电压可以达到0.01uV，温度漂移指标目前可以达到0.02ppm，功耗更低，精度更高，典型器件的代表是ICL7650。

2.按照功能和性能分类。

按照功能或性能分类，集成运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放等。

三、集成运放的供电分类
1.单电源供电和双电源供电的区分
首先，运放可分为单电源运放和双电源运放，在运放的技术资料上，如果电源电压写的是（＋3V～＋30V）/（±1.5V～±15V），如LM324，则这个运放就是单电源运放，既能够单电源供电，也能够双电源供电；如果电源电压写的是（±1.5V～±15V），如741，则这个运放就是双电源运放，只能采用双电源供电。

但是，在实际应用中，这两种运放都能采用单电源、双电源的供电模式。

具体使用策略如下：（1）在放大直流信号时，如果采用双电源运放，则只能选择正负双电源供电，否则无法正常工作；如果采用单电源运放，则单电源供电或双电源供电都可以正常工作；（2）在放大交流信号时，无论是单电源运放还是双电源运放，采用正负双电源供电都可以正常工作；（3）在放大交流信号时，无论是单电源运放还是双电源运放，简单的采用单电源供电都无法正常工作，对于单电源运放，表现为无法对信号的负半周放大，而双电源运放无法正常工作。

2.双电源供电方法
所有的运算放大器都有两个电源引脚，它们的标识分别是＋VCC和－VCC （或－VEE），这个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。

一般是±15V，±12V ，一些低功耗运放使用±5V或者±3V。

输入电压和输出电压都是以参考地来计算的，其中还包括正负电压的摆动幅度极限Vom 以及最大输出摆幅。

3.单电源供电方法
运算放大器采用单电源供电时，就必须设置“直流偏置电路”，而偏置的结果就是把供电所采用的单电源相对的变成“双电源”，具体做法是：首先，在运放的输入端、输出端采用耦合电容将运放电路与前后级电路进行直流隔离，以防止前后级电路的直流电位对运放的影响；其次，＋VCC引脚接到正电源上，－VCC
引脚连接到GND。

然后，将正电压分成一半后作为虚地接到运放的输入引脚上（同相端或者反相端），这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。

电路见图2。

原理分析：
偏置后，+Vcc是Vcc,Vin是+Vcc/2,－Vcc是GND，然后把各点的电位减Vcc/2，便成了+Vcc是Vcc/2,Vin是0,－Vcc是－Vcc/2，相当于是“双电源”，在正式的双电源供电中，输入端的电位相对于输入信号电压是0，动态电压Vcc 是＋Vcc,in是0＋Vin,－Vcc是-VCC，输出在+Vcc～－Vcc之间，而偏置后的单电源供电是Vcc是＋Vcc,in是Vcc/2+Vin,－Vcc是GND,相当于Vcc是Vcc/2,in 是0+Vin,－Vcc是－Vcc/2,输出在+Vcc/2～－Vcc/2之间，与双电源供电方式相同，只是电压范围只有双电源的一半，输出电压幅度相应地会比较小。

四、单电源供电集成运放的典型应用
1.放大电路：
由集成运放可以组成同相放大器和反相放大器，对于交流信号则需采用隔直耦合电容，而放大直流信号则不需要隔直耦合电容。

放大电路的增益通常设计为100倍（40dB），放大倍数过高将会引起电路的振荡，因而想设计高增益的放大器，则可用两个等增益的运放或者多个等增益运放级联，比用一个运放的效果要好的多。

2.衰减器：
由集成运放可以组成衰减器，典型的用运算放大器组成的反相衰减器如图3所示。

其中：各个电阻的取值在1K～100K之间，如：Rf=20K,RinA=RinB=10K,R3＝(Vo/Vin)/ (2-2(Vo/Vin))＝12.1K，就得到－3dB的衰减。

而同相的衰减器可以用作电压衰减和同相缓冲器使用，见图4所示。

3.仪用放大器：
由于各种传感器输出的信号一般比较微弱，所以要用高精度的仪用放大器对微小电平的直流信号进行放大，仪用放大器由减法器拓扑而来的，利用了同相输入端高阻抗的优势。

基本的仪用放大器如图5所示，其中：R1＝R3，R2＝R4，Gain ＝R2/R1。

5.滤波器：
由集成运放可以组成一阶滤波器和二阶滤波器，其中一阶滤波器有20dB每倍频的幅频特性，而二阶滤波器有40dB每倍频的幅频特性。

为了阻挡由于虚地引起的直流电平，在运放的输入端串入了输入电容Cin，为了不影响电路的幅频特性，要求这个电容是C1的100倍以上，如果滤波器还具有放大作用，则这个电容应是C1的1000倍以上，同时，滤波器的输出都包含了Vcc/2的直流偏置，如果电路是最后一级，那么就必须串入输出电容。

图6是典型的低通滤波器。

图6 滤波器
本文就集成运算放大器的单电源供电原理进行了简单分析，介绍了其部分典型应用电路，但在具体电路设计时还应该参考器件的应用手册，还要考虑集成运放的调零问题、自激振荡问题、保护问题等。

五、参考文献：
[1] 陈宏希，贾达.51单片机应用技术.电子工业出版社2013.135010
[2] 孙以材刘玉玲.孟庆浩压力传感器的设计制造与应用[M]冶工业出版社
2000
[3] 单成详传感器的理论与设计基础及其应用[M].国防工业出版社
[4] 贾达电子技术基础石油工业出版社 2008
[5] 龚嘉宇 CMOS集成电路闩锁效应抑制技术 (南通大学电气工程学院电087
0812002212)
六、致谢：
本论文是在权建军老师、汪霞老师的共同关心和指导下完成的，本人能够顺利完成论文的写作，无不凝聚着两位老师的心血与汗水。

两位老师在论文的选题，研究方案的确定以及具体的实施过程都给予了周密的指导，他们严谨的治学态度和系统的科研思路让我受益终生。

同时，他们平易近人、和蔼可亲的生活作风也给我留下了深刻的印象、在LM2940的实验部分和写作过程中，权老师给了本人许多有益的指导和建议，并在实验过程中给予了大力支持，在此，本人表示衷心的感谢。

感谢李彦明同学、周翔同学在实验过程中给予本人鼓励和帮助，同窗共读的情谊本人将永远铭记于心。

在论文完成之际，本人心中满是感激之情，感谢父母的养育之恩和无私的支持。

十数载寒窗苦读，感谢父母在此做出的牺牲和无私的奉献。

感激之情，铭记于心，述之不尽，只好言止于此。