单电源还是双电源?

虽然使用平衡双电源实现运算放大器电路是有利的，但在许多实际应用中，出于节能或其他原因，单电源运行是必要的或可取的。例如，汽车和船舶设备中的电池电源仅提供单极性。即使是线路供电的设备，如计算机，也可能只有单极性内置电源，为系统提供+ 5v或+ 12v直流电。在处理信号时，单电源操作的一个共同特点是在每一级需要额外的元件来进行适当的信号偏置。如果没有仔细考虑和执行，可能会遇到不稳定和其他问题。

电阻偏置的常见问题

单电源运放应用具有在双电源电路中通常不会遇到的固有问题。基本的问题是，如果信号相对于“公共”是正和负摆动，这个零信号参考电压必须在电源轨之间的固定水平。双电源的主要优点是它们的共同连接提供了一个稳定的、低阻抗的零基准。两个电源电压通常相等或相反(并且经常跟踪)，但这不是绝对必要的。对于单电源，这样的节点必须人工创建，通过引入额外的电路来提供某种形式的偏置，以保持信号在适当的中电源电压下的公共。

由于通常需要对大输出值进行对称限制，因此偏置通常建立在额定放大器输出范围的中点，或者(为了方便)在电源电压的一半处。实现这一目标的最有效方法是使用调节器，如图6所示;然而，一种流行的方法涉及到用一对电阻接接电源电压。虽然看起来很简单，但也有问题。

图1的电路是一个交流耦合非反相放大器，说明了这个问题，它有几个设计弱点。信号是电容耦合进出的。交流耦合输入的平均电平被R(A)-R(B)分频器对偏置到V(s)/2，带内增益为G = 1 + R2/R1。通过将反馈与R1和C1建立的零电容耦合，直流“噪声增益”降低到一个单位，因此输出的直流电平等于偏置电压。这避免了由于放大器输入偏置电压的过度放大而造成的失真。放大器的闭环增益在高频时从(1+R2/R1)变为直流时的1，断点频率为f=1/[2π R1 C1]和f=1/[2π (R1 +R2) C1]，引入相移，增加了与输入和输出耦合电路相关的相移。

这种简单的电路还有其他潜在的严重限制。首先，运算放大器固有的拒绝电源电压变化的能力是无济于事的，因为电源电压的任何变化都会直接改变电阻分压器设置的V(s)/2偏置电压。虽然这在直流时不会出现问题，但电源端子处出现的任何共模噪声都会随着输入信号一起被放大(最低频率除外)。增益为100时，20毫伏的60赫兹纹波和嗡嗡声将在输出端放大到1伏特的电平。

更糟糕的是，在运放必须向负载提供大输出电流的电路中，可能发生不稳定。除非电源被很好地调节(和很好地旁路)，显著的信号电压将出现在供电线上。由于运放的非反相输入直接参考电源，这些信号将直接反馈到运放，通常在相位关系中产生“摩托艇”或其他形式的振荡。

虽然使用非常仔细的布局，多电容电源旁路，星形接地和印刷电路板“电源平面”，都有助于降低噪声和保持电路稳定性，但最好采用电路设计更改，以提高电源抑制。这里有一些建议。

从供给中解耦偏置网络

解决方案的一个步骤是绕过偏压分压器，并提供一个单独的输入返回电阻，修改电路如图2所示。分压器上的分接点现在通过电容器C2绕过交流信号，以恢复交流电源抑制。电阻Rin取代Ra/2作为交流信号的电路输入阻抗，也为+输入提供直流返回路径。

R(A)和R(B)的值当然应该尽可能低;这里选择的100-k欧姆值是为了保存电源电流，正如人们可能希望在电池供电的应用中所做的那样。旁路电容值也应仔细选择。R(a)和R(B)的分压器为100k/100k-ohm, C2的电容值为0.1µF或类似，则该网络阻抗的- 3db带宽由R(a)、R(B)和C2并联组合设置，等于1/[2π (R(a)/2)C2] = 32hz。虽然这是图1的改进，但共模抑制下降到32 Hz以下，允许在低信号频率下通过电源进行大量反馈。这需要一个更大的电容器，以避免“摩托艇”和其他不稳定的表现。

一种实用的方法是增加电容器C2的值。这样它就足够大，可以在电路通带内的所有频率上有效地绕过分压器。一个好的经验法则是将该极设置为- 3db输入带宽的十分之一，由R(IN)/C(IN)和R(1)/C(1)设置。

放大器的直流增益仍然是单位。即便如此，运算放大器的输入偏置电流也需要考虑。R(IN)与R(A)/R(B)分压器串联，与运算放大器的正输入端串联增加相当大的电阻。使用具有对称平衡输入的普通电压反馈运放，可以通过选择R2来平衡该电阻，从而使运放的输出接近中电源。

根据电源电压的不同，在增加的电源电流和增加的放大器偏置电流灵敏度之间提供合理折衷的典型值，范围从+15 V或+12 V单电源的100 k欧姆，到5 V电源的42 k欧姆和3.3 V电源的27 k欧姆。

设计用于高频应用(特别是电流反馈类型)的放大器需要使用低输入和反馈电阻，以便在杂散电容存在的情况下保持带宽。像AD811这样专为视频速度应用而设计的运算放大器，通常使用1 k欧姆的R2电阻将具有最佳性能。因此，这些类型的应用需要在R(A)/R(B)分压器中使用更小的电阻值(以及更高的旁路电容)，以最小化输入偏置电流并避免低频不稳定。

由于其低偏置电流，除非电路需要在非常宽的温度范围内工作，否则在使用现代fet输入运算放大器的应用中，对平衡输入电阻的需求并不大。在这种情况下，平衡运算放大器输入端的电阻仍然是明智的预防措施。

图3显示了在反相放大器的情况下如何应用偏置和旁路。

电阻分频偏置技术成本低，使运算放大器的直流输出电压保持在V(S)/2，但运算放大器的共模抑制仍然取决于由R(A)| R(B)和电容C2形成的RC时间常数。使用提供至少10倍于输入RC耦合网络RC时间常数的C2值(R1/C1和R(in)/C(in))将有助于确保合理的共模抑制比。对于R(A)和R(B)的100k欧姆电阻，只要电路带宽不太低，C2的实用值就可以保持相当小。

齐纳二极管偏置

为单电源操作提供必要的V(S)/2偏置的更有效的方法是使用齐纳二极管稳压器，如图4所示。在这里，电流通过电阻r提供给齐纳二极管。电容C(N)有助于减少出现在运放输入端的齐纳产生的噪声。

应选择工作电压接近V(S)/2的齐纳。需要选择电阻R(Z)来提供足够大的电流，以使齐纳在稳定的额定电压下工作，并保持齐纳输出噪声低。然而，最大限度地减少功耗(和加热)和避免损坏齐纳也很重要。由于运算放大器输入从参考端吸取的电流很小，因此选择低功率二极管是个好主意。额定功率为250兆瓦的设备是最好的，但更常见的500兆瓦类型也可以接受。理想的齐纳电流因制造商而异，但实际I(z)水平在500 μ A (250-mW设备)和5 mA (500- mw设备)之间通常是此应用的良好折衷。

在齐纳的工作范围内，图4的电路基本上提供了较低的参考电平阻抗，从而恢复了运算放大器的电源抑制。好处是巨大的，但也有代价:消耗更多的功率，并且运放的直流输出由齐纳电压固定，而不是V(S)/2。如果电源电压大幅下降，大信号可能出现不对称削波。此外，输入偏置电流仍然需要考虑。电阻R(IN)和R2应该接近相同的值，以防止输入偏置电流产生大量的失调电压误差。

图5是使用相同齐纳偏置方法的反相放大电路。

表1显示了一些常见的齐纳二极管类型，可以选择为各种电源电压水平提供一半的电源偏置。为了方便，在电路4和5中提供了实用的R(Z)值来提供5ma和0.5 ma的器件电流。为了降低电路噪声，可参考制造商的数据手册选择最佳齐纳电流。

表1。建议齐纳二极管部件号(摩托罗拉类型)和Rz值在图4和5中使用。

使用线性稳压器的运算放大器偏置

对于从+3.3 v标准工作的运算放大器电路，需要+1.65 v的偏置电压。齐纳二极管通常只提供低至+2.4 V的电压，尽管1.225伏的AD589和AD1580带隙分流稳压器可以像齐纳二极管一样在低阻抗下提供固定(但不是中心)电压。在低阻抗(例如，V(S)/2)下提供任意偏置电压值的最简单方法是使用线性稳压器，如ADM663A或ADM666A，如图6所示。它的输出可以从1.3到16v调节，它将在2 V到16.5 V的单电源电压下提供低阻抗偏置。

直流耦合单电源电路

到目前为止，只讨论了交流耦合运放电路。虽然使用合适的大输入和输出耦合电容，交流耦合电路可以在远低于1hz的频率下工作，但一些应用需要真正的直流输入和输出耦合。在低阻抗下提供恒定直流电压的电路，如上面讨论的齐纳二极管和稳压器，可用于提供“地电平”电压。

或者，图1到3的V(S)/2偏置电阻可以通过运算放大器进行缓冲，以提供如图7所示的低阻抗“幻地”电路。如果低压电池是供电源，比如+3.3V，运算放大器应该是一个“轨对轨”设备，能够在整个供电电压范围内有效工作。运放还需要能够提供足够大的正或负输出电流，以满足主电路的负载要求。电容器C2绕过分压器以衰减电阻噪声。该电路不需要提供电源抑制，因为它将始终以电源电压的一半驱动公共终端(“地”)。

电路接通时间问题

最后一个需要考虑的问题是电路接通时间。近似的导通时间将取决于所使用的最低带宽滤波器的RC时间常数。

此处显示的无源偏置电路都应要求R(A)| R(B)-C2分压器网络具有比输入或输出电路长10倍的时间常数。这是为了简化电路设计(因为多达三个不同的RC极设置输入带宽)。这个长时间常数也有助于防止偏置网络在运算放大器的输入和输出网络之前“打开”，从而允许运算放大器的输出从零电压逐渐攀升到V(S)/2，而无需驱动到正供电轨。所需的3db角频率为R1C1和R(负载)C(输出)的1/10。例如:在图2中，电路BW为10hz，增益为10,C2值为3µF可提供1hz的3db BW。

当R(A)||R(B)=50,000欧姆时，3µF电容器的RC时间常数为0.15秒。因此，运算放大器的输出将需要大约0.2到0.3秒才能合理地接近V(S)/2。同时，输入和输出RC网络的充电速度将提高十倍。

在电路的导通时间可能变得过长的应用中，齐纳或有源偏置方法可能是更好的选择。