运算放大器的单电源操作

ppL|CAT ION^ULLE TIN^BUR BROWN@A.■Mailing Address:PO Box11400,Tucson,AZ85734•Street Address:6730S.Tucson Blvd.,Tucson,AZ85706•Tel;520746-1111Telex:066-6491•FAX520889-1510•Product Info:800548-6132•Internet:•FAXLine:800548-6133运算放大器的单电源供电单电源电压供电是运算放大器最常见的应用问题之-O当多不同的方式将标准的运算放大器用于单电源应用中，问及“型号为OPAxyz,能否采用单电源供电？”，答案并实现较好的总体性能应对此类应用的关键即在于对通常是肯定的在不启用负相电源电压时，采用单电源运算放大器的局限性（对其电源轨附近的电压信号进行电压驱动运算放大器是可行的并且，对使用高电压及处理之时）的理解大电流运算放大器的特定应用而言，采用单电源供电将如图1b所示，导致标准运算放大器无法处理地电平附近使其切实的获益信号的原因有两个

（1）共模范围限制；

（2）输出电压考虑如图la所示的基本运算放大器连线图运算放大器摆幅能力采用了双电源供电（也称平衡［balanced］电源或分离此类性能特点通过图2的图形描述得到了很直观的展示［split］电源）注意到此处运算放大器无接地而事电压范围与电源电压相关，指示了给定运算放大器的正实上，可以说运算并不会确认地电位的所在地电位介于常功能以共模范围为例，通常采用图示说明其与诸如正相电压及负相电压之间，但运算放大器并不具有电气温度等参数的关系图2假定的电源为土15V,但还是很接线端以确定其确切的位置容易将负相电源轨设想为地在图2a中，注意到运算放大器的共模范围为T3V至+

13.5Vo对于运算放大器输入b端低于-13V或高于+

13.5V的电压信号而言，差分输入级将无法正常运作图L简易单位增益缓冲器的运算放大器连线示意图，举例说明了分离电源供电⑸与单电源供电（b）的相似性类似的，运算放大器的输出级也会将输出摆幅限制在电源电压附近此项特性取决于负载，并同时取决于外设图1所示电路连接为电压跟随器，因此输出电压与输入的温度图2b展示了运算放大器的输出摆幅性能与负载电压相等当然，输出跟随输入的能力是有限的随着电流的关系曲线在25C时，对于10k W的负载（电输入电压正相摆幅的增大，在某些接近正相电源的电位流约为±lmA）而言，输出摆幅为-

13.8V至+

12.8V点上，输出将无法跟随输入类似的，负相输出摆幅也O限制在靠近-Vs的某电位点上典型的运算放大器允许输出摆幅在电源轨的2V以内，使得土15V的电源可支持-13V至+13V的输出图1b展示了同样的单位增益跟随器，采用30V单电源支持供电运算放大器的两个电源接线端之间的总电压仍为30V,但此时采用了单正相电源从另一角度考虑，其运行状态是不变的只要输入介于运算放大器电源接线端电压2V以内，输入就能跟随输入电路可支持的输出范围从+2V至+28V既然任意的运算放大器均能支持此类单电源供电（仅是摆幅限制稍有不同），为何某些运算放大器特别注明用于单电源应用呢？某些时候，输出摆幅在地电平（运算放大器的“负相”电源轨）附近受到了极大的限制如图1b所示，应用的输入信号参考地电平，此时，运算放大器将无法准确的处理小于2V的输入信号而“单电源运算放大器”则能很好的应对此类特殊的应用尽管如此，仍可采用许©1986Burr^Brown CorporationAB-067Printed inU.S.A.March,1986放大器具有典型的共模范围及输出特性，只要将输入及输出电压约束在必要的限度以内，即可实现良好的单电源运作简言之，电路配置必须在适当的使用范围内运作

①以图3所示的电路为例，输入及输出均以齐纳二极管所’形成的“浮动地（floating ground）为参考齐纳二极管通过Rz偏置并设定偏置电流由于VIN及V0UT都参考同一浮动地，齐纳电压的精度或稳定性已不是最重要的VIN及V0UT均可采用双极型信号（以浮动地为参考）当+V=30V且VZ=15V之时，其运行与采用标准分离电源0255075100125的状况类似在该电路中，负载电流流入浮动地，与齐Temperature℃纳二极管的电流（等于齐纳电流减去负相负载电流）相叠加所选取的齐纳二极管必须能应对该附加的电流若齐纳电流允许接近零，浮动地的电压将由于齐纳二极管的截止而快速降低因此，R1值必须小心选取以确保齐纳二极管电流在任意运算放大器负载状况下都保持正向

①胃—RF47k Q-10-8-6-4-20246810Output CurrentmAG=—R/R=—

4.7F1--图

2.运算放大器的共模范围通常取决于温度，其特性如图（a）所示；负载电流将导致齐纳电流的变化，这*输出电压则受输出电流的影响，如图（b）所示通常情况下，Ri运算放大器的负载接地，其负载电流始终为正随着输出电压逼

4.7kQ近零电位，负载电流也逐渐归零，从而增大了有效输出摆幅此--------------o是必须进行估算的处的图示假定为分离电源电压（正常值为±15V）RLOAD=Ri||Ri+R F由上文可知，如图1b所示电路的上下限分别为+13V（受图4所示电路以放大器增益配置运作在该电路中，反限于输出摆幅性能）及73v（受限于负相共模范围）馈元件施加于运算放大器的附加负载等于两电阻（Rl+单电源运算放大器针对扩展的共模范围进行了特别的设Rf）之和当设计流经齐纳二极管的电流变化量时，此计，可始终包含负相电源轨（地）同时，其输出级也反馈电流也必须纳入考虑此时，齐纳电流不能为零，大都是针对接近地电平的摆幅而设计的也不能超过安全值倘若所有的运算放大器都设计为具有上述的扩展性能，注意到该示例所采用的单电源为+12V,通常情况下，单则将提供很大的便利，但须考虑的实现该目标需要做极电源应用所采用的电源电压要大大低于绝大多数运算放大的折衷例如，增大共模范围通常需要牺牲诸如偏置大器所规定的30V（±15V）的总体性能值而现代的点电压、偏置点漂移及噪声等特性一般的应用或许能运算放大器也通常是在小于其特征电压的范围内才表现容忍此类运算放大器的性能折衷，但对于高精度或其他良好，这是需要验证的某些运算放大器，尽管标明可特定用途的应用而言，则需要采用不同的处理方法采用更低的电压供电，但也因为达到了最低工作电压而导致电源质量及共模抑制能力降低值得庆幸的是仍有多种方式可支持在单电源应用中使用高性能及特定用途运算放大器如图1b所示，运算图

4.与常规的分离电源供电状况一致，实现了放大器增益配置反馈Ri

4.7kQ元件对运算放大器施加了一个附加负载，其电流流经齐纳二极管电路的基本性能特征与分离电源供电时一致图

3.当输入及输出均参考浮动地时，可对双极型信号进行处理改变PQWUOEEOa4nd.noo5o55-50VINOL共模电压的极限值可能导致某些放大器产生意想不到的在诸如可编程电源等应用中，输出电压必须相对地作全情况以确定类型的FET输入运算放大器为例，其共模量程变化小的负相电源轨用于提供必需的共模电压，电压与电源相关，当电源超过15V至20V时，将产生过输出级则必需支持全量程的输出摆幅（相对地）较大大的输入偏置电流采用30V单电源供电即会出现此类的正相电源轨可用于使有效输出电压最大化情况，且共模电压将在任一电源轨附近将出现不平衡图8所示电路旨在为连接至地的负载馈送电流，因此设放大器的实际性能也因共模电压如预期一样达到最坏的定了较高的电流限（降低限流电阻值），使电路获得了状况而得到验证较大的正相输出电流但在使用此类运行模式时，必须电阻电压分配器也时常用于建立浮动地图5接地阻仔细斟酌以确定安全运行的限制区域非平衡的电源意抗由分配电阻并联确定由于电阻值不可能非常的低将味着输出晶体管两端将呈现更高的电压，因而需要更大消耗极大的电源电流，此时接地阻抗将有所提高但只的安全运行区域敬请参见Understanding PowerAmp要小心的处理参考点上负载电流变化的效应，电阻分配lifier Specifications（应用公告编号为AB-123）,的方式仍证明是可行的实际上，由于输入及输出参考以获取评价安全运行区域的相关信息同一节点，在某些应用中建立真正“固化”的地也是无关紧要的然而良好的旁通bypassing设计确实能提供其他信号处理电路通常采用分离式的电源供电，但采用更低的高频阻抗，从而无需低阻值的分配器电阻，有助单电源也可实现良好的运作在此所述的电路设备包括于避免VG的瞬变失真或振荡问题了仪表放大器、电流发射器、模拟乘法器、对数放大器等，确保其正常运作的法则与运算放大器一致适当的电位点通常存在于相关的电路中，有助于建立浮动地图6中+5V电源用于为逻辑电路供电，同时也作TNA105差分放大器就是很好的示例该器件的内部组成为浮动地需要注意的是，绝大多数用于提供相应电压（图9）包括了一个精密运算放大器及四个精密匹配的的稳压器仅设计用于为单个负载馈送电流如果足够大Input的运算放大器负载电流流入5V线路，其电压将上升因Oto10V此，负载电流应谨慎估算以确保浮动地的电位保持在适电阻在大多数的应用中，引脚1作为输出电压参考引当的范围一般来说，其他的系统元件都会为稳压器提脚，连接至地若采用前面所述的方法之一将引脚1连供足够的负载，以允许足量的运算放大器负载电流接至浮动地，其供电则与分离电源供电类似然而与上文所述的运算放大器应用不同，差分输入端（引脚2及特定需求的应用可能需要将缓冲运算放大器用于建立超低阻抗的浮动地缓冲器图7的输入可采用先前所讨图

8.非平衡的电源常用于为运算放大器供电以实现较高的单极型输出论的任意技术缓冲器可馈送source或吸收sink负电压，并同时提供低至0V的输出摆幅该0PA512电路的负相电载电流，其最大值为用作缓冲器的运算放大器的输出电源轨的幅度足以满足应用对共模电压及输出摆幅的需求流限运算放大器的闭环输出阻抗提供了非常坚实的参考地缓冲运算放大器的频率响应及开环输出阻抗特性引脚3）可支持的共模电压范围等于（甚至大于）电源将取决于高频浮动地阻抗缓冲放大器的旁通输出将有电压施加于输入电阻上的电压因分配而降低，使共模助于降低高频阻抗，但不能超过缓冲放大器的安全容性电压保持在运算放大器正常工作的范围内此时，引脚负载，否则将导致振荡1的电压以及对输出摆幅的需求决定了单电源供电需采用的方法图

5.尽管电压分配器的阻抗串联R1至地，但该放大器电路的增益仅取真正的仪表放大器（图10）通常在其输入端配置运算放决于R1及R2而由于输入及输出参考同一浮动地，其阻抗也将不影响大器因此，输入运算放大器的共模范围再度成为关注电路的电压增益的焦点输入电压必须限制在设备所标示的共模范围内图

6.许多系统具有+5V的逻辑电源或其他适当的电压源，可用作模拟仪表放大器的输出部分与差分放大器相同，对输出电压电路的浮动参考电位，但需要提供足够的去耦网络或附加旁通，以确保摆幅的需求决定了须采用的方法逻辑噪声不混入模拟系统图7通过采用单片0PA2111运算放大器组成单位增益缓冲器，实现了超低的浮动地阻抗缓冲器的输入是一个电压分配器，可添加很大的旁通箭头指明了正向及负向负载电流的流动方向图8所示的方法通常用于高电压及大电流运算放大器在此采用了非平衡的电源以获取期望的输出电压摆幅图

9.此简单差分放大器的输入电压在施加于运算放大器之前即因输入电阻的划分而降低，从而使得差分放大器可处理等于或高于电源的电压图

83580555.甯子信箱spp@wpgchina com网站http://www.ticom.cn/hdr_my_ti新用户^现在就登享受多重服厩蕃用户^登^更新信息！BURR-BROWN不授权或担保任意BURR-BR0W N产品用于生命维持设备及/或系统德州倭器中阈筐品信息中心想缩短研赞日寺降低it品成本、并有襄£品快速投放市埸？nit品信息中心就除聚有素的技秫亍支持m除能在幺泉提供您全方位的it品信息4mWA日燃日冏入E・・・800-820-8682立刻接免费^攫取免费的技雨支持服矜日寺^星期——五.上午9:00〜下午6:00my.TI^w w.ti.co m.cn/contactus歉迎您注册成悬以掩得更快捷的服矜和更全面的品资料网站Safe HarborState ment:Trade marks:This publicationmay contain forward-looking statementsthat Theplatform baris atrademark ofTexas InstrumentsAll othertrademarks are the propertyinvolvea numberof risks and uncertaintiesThese uforwardlookingof theirrespective ownersstatements“are intendedto qualifyfor thesafe harborfromliability establishedby thePrivate SecuritiesLitigation ReformReal WorldSignal Processing,the balck/red banner,C2000,C24x,C28x,Code Composer Studio,Act of

1995.These forward-looking statementsgenerally canbe Excalibui;Just PlugIt Ingraphic,MicroStar BGA,MicroStar Junior,OHCI-Lynx,Power+Logic,identified byphrases suchas TIor itsmanage mentPower PAD,S WIFT,TMS320,TMS320C2000,TMS320C24x,TMS320C28x,TMS320C6000,TPS40K,XDS510“believes,“expects,“anticipates,and XDS560are trade marks ofTexas Instruments.All othertrademarksaretheproperty offoresees,““forecasts,““estimates”or otherwords orphrases theirrespective owners.of similarimport Similarlysuch statementsherein thatdescribeImportant Notice:the companys products,business strategy,outlook,objectives,plans,intentions orgoals alsoare forward-looking statementsAll Theproducts and services ofTexas Instruments Incorporated andits subsidiariesdescribedsuch forward-looking statementsare subjectto certainrisksandherein aresold subjectto TIs standardterms andconditions ofsale.Customers areadviseduncertainties thatcould causeactual resultsto differmaterially toobtain themost相关应用链接from thoseinforward-looking statementsPlease referto Hs mostcurrent andcompleterecent Form10-K form oreinformation onthe risksand uncertaintiesinformation aboutTi•安防应用http:〃w w w.ti co m.cn/securitythat couldmaterially affectfuture resultsof operationsWe productsandservices,工业应用http:〃www.ti.com.cn/industrialdisclaim anyintention orobligation toupdate anyforward-looking beforeplacing orders,计算机及周边w w.tLcom.cn/computerstatements asa resultof developmentsoccurring afterthe dateof TTassumes no,宽带网络w.ticom.cn/broadbandthis publication.liability for•汽车电子http://www.ticom.cn/automotiveapplications,视频和影像http:〃w w w.ti co m.cn/video•数字音频http:〃w w w.tL com.cn/audio•通信与电信http:〃w w w.ti com.cn/teleco m•无线通信w w.ti.com.cn/wireless•消费电子http:#w w w.ti com.cn/consum erassistance,customer sapplications orproduct designs,software performance,or infringementof patents.The publicationof informationregardingany othercompand sproducts orservices doesnot constituteTI sapproval,warranty orendorsement thereof相关产品链接,DSP-数字信号处理器w.tL coin.cn/dsp•电源管理http:/7w w w.ti.com.cn/power,放大器和线性器件w w.ti.com.cn/amplifiers•接口http:〃www.ti coin.cn/interface,模拟开关和多路复用器http:〃www.ticom.cn/analogswitches,逻辑ww.ti com.cn/logic•RF/TF和万gBee解决方案www.ti com.cn/radiofre•RFID系统http:〃www.ti coin.cn/rfidsys,数据转换器ww.ti.com.cn/dataconverters,时钟和计时器http://www.ti com.cn/clockandti mers,标准线性器件http:〃www.ticom.cn/standardlincardc•温度传感器和监控器http:〃www.ticom.cn/tcmpcraturescnsois,微控制器（M CU）http:〃www.ti com.cn/microcontrollers重要声明德州仪器（「）及其下属子公司有权在不事先通知的情况下，随时对所提供的产品和服务进行更正、修改、增强、改进或其它更改，并有权随时中止提供任何产品和服务客户在下订单前应获取最新的相关信息，并验证这些信息是否完整且是最新的所有产品的销售都遵循在订单确认时所提供的TI销售条款与条件n保证其所销售的硬件产品的性能符合n标准保修的适用规范仅在n保修的范围内，且11认为有必要时才会使用测试或其它质量控制技术除非政府做出了硬性规定，否则没有必要对每种产品的所有参数进行测试n对应用帮助或客户产品设计不承担任何义务客户应对其使用n组件的产品和应用自行负责为尽量减小与客户产品和应用相关的风险，客户应提供充分的设计与操作安全措施n不对任何TI专利权、版权、屏蔽作品权或其它与使用了11产品或服务的组合设备、机器、流程相关的n知识产权中授予的直接或隐含权限作出任何保证或解释n所发布的与第三方产品或服务有关的信息，不能构成从n获得使用这些产品或服务的许可、授权、或认可使用此类信息可能需要获得第三方的专利权或其它知识产权方面的许可，或是TI的专利权或其它知识产权方面的许可对于n的数据手册或数据表，仅在没有对内容进行任何篡改且带有相关授权、条件、限制和声明的情况下才允许进行复制在复制信息的过程中对内容的篡改属于非法的、欺诈性商业行为n对此类篡改过的文件不承担任何责任在转售“产品或服务时，如果存在对产品或服务参数的虚假陈述，则会失去相关n产品或服务的明示或暗示授权，且这是非法的、欺诈性商业行为n对此类虚假陈述不承担任何责任可访问以下皿地址以获取有关其它n产品和应用解决方案的信息产品放大器ht tp://www t i.com.cn/ampl if iers数据转换器http://^wti.com.cn/dat aconverters DSPht tp://uuw ti.com.cn/dsp接口逻辑ht tp://www ti.com.cn/1ogi c电源管理ht tp://ti.com.cn/power微控制器http://^wti.com.cn/rri crocont rol1ers应用音频ht tp://www ti.com.cn/audi o汽车ht tp://uww ti.com.cn/aut omoti ve宽带ht tp://wuw ti.com.cn/br oadband数字控制ht tp://wuw ti.com.cn/control光纤网络ht tp://wuw ti.com.cn/叩l ical netwt）r k安全ht tp://ti.com.cn/securi ty电话ht tp://w\w ti.com.cn/1el ecom视频与成像http://^wti.com.cn/vi deo无线htt p://wuw ti.com.cn/w reless邮寄地址Texas Instruments,Post GfficeBox655303,Dallas,Texas75265Copyr ight©2006,Texas Instr umentsIncorporated。