我们在这里考虑使用有源器件(例如，运放，a /D和D/ a转换器等)转换系统设计的影响和性能权衡，传统上以双电源为特征，到单电源操作。(传统的有源器件设计为双极电源提供最佳性能，在单电源工作中，特别是在较低电压下，其性能固有地低于最佳性能。)我们继续观察几个新产品系列在速度和动态性能方面的优势，这些新产品系列建立在专门为单供应操作设计和特征的过程之上。

人们不禁注意到，单电源设计在设计界变得非常流行，因为它们降低了成本，并利用了计算机系统和数字/混合信号设备中广泛使用的电源。许多经典的高性能电路是使用带±15伏电源的运放开发的，但现在在(例如)高速视频电路中，需要在较低电压下进行单电源操作。为了最大限度地减少处理视频信号的功耗，通常只有1-2伏p-p的数量级，使用5v单电源。但是，传统的高速运放，最初设计为在±15伏电源下正常工作，必须在相当低的电压下工作，并在中等电源下偏置。然而，降低电源电压会降低静态电流，这会对带宽和转换速率产生不利影响，正如我们将看到的那样，并可能引入“净空”问题。另一个例子，单电源操作不仅是可取的，而且是必不可少的，是在便携式，电池供电的设备。当电池是主要电源电压时，最小的静态电流对于延长工作是至关重要的。电池供电系统将在本文的第二部分中详细讨论，这篇文章将在下一期的《对话》中出现。

在电池供电的应用中，低功耗、单电源设备的优势和必要是“笔记本电脑”或“笔记本电脑”。十年前，谁会想到你可以随身携带一个系统，它的计算能力和内存容量是老式台式电脑的10倍(尺寸和重量只有老式台式电脑的1/10 !)，并拥有VGA彩色图形显示器、传真/调制解调器和CD-ROM等增强的功能，而且能够在不充电的情况下运行2-3小时!

设计(或转换为)单电源系统的另一个动机可能只是为了降低现有多电源设计的成本、复杂性和功耗。传统的多电源设计，包括数字电路和数字电路，通常需要±12v或±15v电源为运放供电，+ 5v或+ 12v电源驱动TTL或CMOS逻辑电路，并且可能需要同时为A/D或D/A转换器供电。使用现有的板上单电源电压(通常为+5 V)为所有组件供电，可以消除对昂贵的dc-dc转换器的需求，这可以消耗相当大的pc板空间。例如，一个+5 V到±15伏的dc-dc转换器，提供高达200 mA的输出电流，可能需要在电路板上一个2“× 2”的空间;一个输出400毫安的类似转换器可能需要多达2“× 3.5”的空间!

提高系统的可靠性是单电源运行的另一个不太明显的优势。在远低于其最大额定值的电压水平下工作的组件本身寿命更长。在可靠性计算中，应力因子(器件工作电压与其最大额定值之比)包含在平均故障时间(MTTF)计算中:最大额定值为±18伏，工作电压为±15伏的放大器的应力因子为5/6，即0.833;在+5 V下工作时，应力因子降至5/36(= 0.139)。

在谈到单电源操作可能有益或必要的一些领域之后，让我们更详细地研究一些潜在的设计限制和设计或转换为单电源操作时可能的权衡。然后，我们将考虑产品，工艺和实践，以克服在单电源设计中使用传统设备时固有的速度和动态限制。虽然在许多例子中使用运算放大器作为我们的模型，但设计问题和性能权衡通常也适用于其他设备。

性能的权衡

动态范围:在单电源设计中使用传统运放时，动态范围可能是最重要的权衡。减小的动态范围降低了信噪比比率，它最终限制了可用的系统分辨率。例如，使用±15伏电源的传统双极运放(图1)通常要求其最大输入/输出摆幅与电源轨之间的固定“净空”为1.5 V至3 V。对于给定的输出负载条件，该净空由输入级的NPN架构和输出晶体管级的V(CESAT)决定，并且随着电源电压的变化而变化很小。运算放大器工作在±15伏电源上，输入/输出范围为±13 V。

如果电源电压现在降低到单个+ 5v电源(图1右)，由于基本固定的净空，满量程范围严重限制为2 × (2.5 V - 2 V) = 1.0 V p-p。如果假设放大器的本底噪声不变，则信号摆幅的减小会以相同比例减小有效动态范围。

输入失调电压:降低电源电压的另一个影响是放大器输入偏置电压的移位。问题源于这样一个事实，即大多数传统运算放大器的典型工作范围低至±4.5伏，通常在特定的电源电压(例如±15伏)下进行测试，并对其输入偏置进行修整。降低电源电压可以产生输入偏置电压的移位。偏置电压的偏移可以通过查看偏置电压规格的“电源抑制比”(PSRR)或“电源灵敏度”来确定;它提供了对给定电源电压变化的偏移量变化的测量。

例如，OP177在±15伏时的初始偏置为20微伏，PSRR为1 μ V/V。当电源降至±5v时，偏移量变化如下:

初始输入偏置电压@ + -15 V + -20µV
Power Supply Rejection Error + -20µV
(1µV/V × 20v变化)________
降额输入偏置电压+ -40µV

地面参考:选择合适的接地参考也变得至关重要，因为使用单个供电轨道并根据应用要求，“接地”可能在供电范围内的任何地方。对于单侧直流测量，负电源轨(-V(S))是一个很好的选择，主要有两个原因:

• 在电源轨之间实现最大动态范围(在放大器的净空要求范围内)

• 负供电轨为正供电电流提供低阻抗返回路径

然而，对于双极直流测量或交流应用，选择并不简单。需要一个“伪”地来处理“双极”电压或交流波形大约“零”值的交变偏移。这种伪地的一个明显选择(但不一定是最好的)是在正极和负极(地)供电轨道之间的中点。这种地面可以通过各种方式形成。创建伪地的一种简单方法是使用电阻分压器，如图2所示。

这种方法有几个问题:由于电阻不匹配导致接地点不准确，电阻漂移，以及无法加载电路(图3)。正供电轨道的变化也会移动接地点。而且，也许最能说明问题的是，它只能用作输入接地参考，而不能用作输出接地返回。

第二种解决方案涉及使用齐纳二极管或参考稳压器(图4)。这消除了对供电轨道的接地依赖;然而，选择齐纳或稳压电压可能是有限的。其较低的阻抗允许它被用作有限范围负载的输出地。

也许最灵活的方法是相当于一个调节器-结合电阻分压器或电阻齐纳对，可能使用单个或堆叠的1.23 v ad589，以及具有适当输出电流范围的低成本通用运放，用作低阻抗接地发生器。

图5说明了在设计50 hz /60 hz单电源陷波滤波器时使用伪地技术。

轨到轨

一种特殊的放大器，具有非常低的净空要求，被称为轨对轨放大器，由于其独特的能力，其输入和/或输出范围的极端操作在或接近地面和/或靠近正轨(在几毫伏以内)，越来越受欢迎。这大大增加了系统的动态范围，几乎整个范围的电源电压。

传统的运放输入设计(图6)要么采用NPN双极结晶体管(BJT)，它具有高带宽(f(t))、低噪声和低漂移的优点，要么采用结场效应晶体管(jfet)，它具有非常高的输入阻抗、非常低的漏电流(偏置)和低失真的优点。

不幸的是，这两种设计都需要使用双+和-电源电压进行操作，并且在任何导轨上都需要2-3伏的净空空间，以便在其线性区域内有效运行。

轨到轨放大器采用特殊的输入结构，使用背对背的NPN和PNP输入晶体管和双折叠级联电路，允许输入达到任何轨道的毫伏以内。

传统运放的输出级(图8)使用NPN-PNP发射器-从动器对，排列为AB类工作。输出摆幅受限于每个晶体管的V(BE)加上串联电阻上的IR降。轨对轨放大器输出来自配置如图8右所示的NPN-PNP对的集电极;输出摆幅仅受晶体管的V(CESAT)(可小至几毫伏，取决于集电极发射极电流)、R(on)和负载电流的限制。

轨对轨放大器性能好坏的一个指标是它在零伏或接近零伏时保持线性的能力。在图9a的电路中，OP90的共模输入在从零到2.5伏的范围内线性驱动，放大器配置为将所得输入误差乘以1000。(b)中的图显示，在2.5 v范围内，即使在零附近，也没有任何挂钩、凸起或不连续，而且基本上是线性偏差。

表1比较了Devices公司轨对轨应用放大器的规格。

带宽，转换率:除了降低电源电压外，运放制造商还可以通过设计需要更少静态电源电流的器件来进一步降低功率要求。供电电流受供电电压的影响不大;它主要受内部偏置电流的控制，这是由设计者在偏置电路中选择的电阻所决定的。但是，一般来说，带宽、转换率和噪声规格会受到静态电流减小的不利影响。例如，在给定电路中，增加4倍的电阻以减少静态电流，可以使约翰逊噪声加倍，这与电阻的平方根成正比。

表1。单电源放大器指南

单电源放大器指南，第2部分

对于直流到低到中频的应用，如便携式医疗、地质或气象设备，功耗是关键因素，而带宽减少则较少受到关注。然而，视频速度放大器在降低电源电压以降低功耗的情况下工作，由于其静态电流的减少，带宽和转换率也会减少。

这对高速、低功率放大器的设计有什么限制?虽然带宽确实与静态电流或工作电流成正比，但带宽与静态电流的实际比率(MHz/ ma)以及其他属性是运算放大器系列设计的特定制造工艺的函数。

图10显示了具有代表性产品类型的器件BiFET、互补双极(CB)和超快速互补双极(XFCB)工艺的带宽和静态电流之间的典型关系的参考斜率。请注意，AD8011能够提供300 mhz的带宽，同时从单个+5-V电源获得最大1.0 mA的静态电流(并且在10 kHz时仅产生2 nV/√Hz的噪声)。

电源噪音:供电线路上的噪声是一个严重的问题，特别是在测量低电平信号时。为了减少多电源系统中对dc-dc转换器或逆变器的需求，设计人员正在利用板载+ 5v逻辑电源为运放和数据转换器供电，这使问题更加复杂。困难在于，除了必须提供由改变逻辑和时钟状态随机决定的输出电流外，大多数逻辑电源来自高效率但有噪声的开关电源。虽然精心实现的逻辑电路不易受到典型开关“尖峰”的影响，但运算放大器和数据转换器可能受到严重影响，因为尖峰可能出现在供电轨和地回路上。

值得注意的是，运算放大器的PSRR(用于直流和低频)会随着频率的增加而降低。来自电源的尖峰不仅会出现在放大器的输出中，而且如果它们足够大，它们可能会在放大器输入级被整流并引起直流偏置。同样，对于A/D和D/A转换器，开关尖峰可能会在其部分引入错误，甚至可能导致时钟错误。所有情况下的防御包括仔细注意电路板布局(层数，电路位置和轨道路由限制)，滤波，旁路，屏蔽和接地。

解决方案可以通过在敏感电路的电源输入处使用铁氧体磁珠的高效LC噪声滤波器的少量投资来辅助，如图11a所示。图11b说明了如何使用这样的滤波器几乎可以消除由电源输出上出现的脉冲引起的“小故障”和“尖峰”。

我们在上面讨论了使用单个电源设计电路或系统时的好处和可能的性能权衡，以及帮助克服一些设计限制的产品和技术。在下一期的《对话》中，我们将仔细研究在电池1000供电系统中设计的一些细微差别。