單電源運(yùn)放電路的偏置方法

大家好，我們使用運(yùn)放的大多數(shù)情況都是以雙電源的方式供電，因?yàn)檫@樣就能夠擴(kuò)大輸入信號的電壓范圍，且輸入輸出信號能夠呈現(xiàn)正負(fù)對稱的形式。但是，在一些特殊情況下若只能使用單電源供電，運(yùn)放電路該怎么設(shè)計(jì)呢?答案很簡單，提供偏置電壓。

1偏置電壓

單電源供電提供偏置的方法可以分為交流耦合與直流耦合兩種。我們看看如何正確的選擇參考電壓，使得產(chǎn)生正確的輸出。分析參考電壓時主要用到疊加原理，將信號和參考看做兩個信號源，利用疊加原理將兩者經(jīng)過運(yùn)放后的結(jié)果相加。參考電壓的選擇主要考慮兩個因素：

1、使輸出信號的Vpp最大，充分利用運(yùn)放的輸出能力;

2、根據(jù)后級的直流電平要求來設(shè)計(jì)，確保本級的直流輸出能滿足后級輸入。

使Vpp最大時，參考電壓的選取跟運(yùn)放輸出范圍直接相關(guān)，由于運(yùn)放的輸出不都是軌到軌的，所以不能都按輸出直流在VCC/2來設(shè)定。應(yīng)該按照輸出直流分量在(Voutmax-Voutmin)/2位置來選擇參考的電壓，這樣才能保證輸出的Vpp最大。使本級的直流輸出能滿足后級輸入時，從要求的輸出直流分量反推出參考電壓即可。例如運(yùn)放作為ADC的輸入緩沖時，由于某些型號的ADC對輸入的共模電壓(直流分量)有要求(例如1.8V或者1.5V)，選擇參考電壓時就要使運(yùn)放的輸出直流分量滿足ADC的共模電壓。

使本級的直流輸出能滿足后級輸入時，從要求的輸出直流分量反推出參考電壓即可。例如運(yùn)放作為ADC的輸入緩沖時，由于某些型號的ADC對輸入的共模電壓(直流分量)有要求(例如1.8V或者1.5V)，選擇參考電壓時就要使運(yùn)放的輸出直流分量滿足ADC的共模電壓。

2直流耦合

我們先來看看在雙電源供電下的情況：

圖中可以看到當(dāng)輸入信號為正弦波時，經(jīng)過反相放大，輸入輸出信號均以系統(tǒng)地0地位作為中心，正負(fù)半周進(jìn)行波動。如果此時我們將上圖的雙電源的負(fù)電壓直接改成GND，輸入相同的信號，我們會看到如下圖所示的輸入輸出波形，可以看到由于只有正電源供電，輸出信號的負(fù)半周無法被輸出，為了解決這個問題，我們可以在輸入端加入一定的直流偏置，從而將整個輸出電壓抬高。

根據(jù)電路設(shè)計(jì)和疊加定理，我們得到：

為了使輸出信號在VCC/2=2.5V上擺動，可以求得VREF=1.25V。輸入輸出信號波形圖如下圖所示。經(jīng)過正確偏置的輸出信號能以2.5V為中心，從而得到了最大的輸出擺幅。

3交流耦合

當(dāng)放大倍數(shù)較大或呈小數(shù)時，Vref難以取整?；虍?dāng)輸入信號本身不是以GND為中心，而也帶有直流偏置的時候，計(jì)算也會變得復(fù)雜。此時，如果我們對信號的直流信息不感興趣，我們可以采用交流耦合的方式，更為簡單的讓輸出在準(zhǔn)確的VCC/2上擺動。

交流耦合方式通過在信號輸入端加入耦合電容，形成一個高通濾波器，隔離直流信號，僅對交流信號起到放大作用。如下圖顯示了該電路的頻響特性，可以看到當(dāng)輸入信號頻率超過100Hz后，C1可以視為完全短路，此時交流信號的增益為G=0db。

為了讓放大器的輸出以VCC/2為中心，我們考察反相端的Vref對輸出的貢獻(xiàn)。

取Vref=2.5V，得到如下圖的輸入輸出結(jié)果：

采用交流耦合時，無論Vin中是否帶有直流分量VDC,交流耦合放大器會阻止VDC，而只放大交流信號，如下式所：

比如我們在仿真中設(shè)定Vin=0.5V+Vxfg1，可以得到如下的輸入輸出結(jié)果：

可以看到雖然信號(下方波形)的直流分量增加，由于C1的AC耦合，不影響輸出的直流。