“老貓”教學系列——單電源運放
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什麼叫單電源供電運放?
運放本質是一個類似OCL功率放大器的電路。差分輸入級,中間電壓放大器,末級互補推輓輸出級。
BG1、BG2是輸入級,BG3是恆流源負載,BG4、BG5是第二差動放大器,BG6是電壓放大器或者叫中間放大級,BG7、BG8則是互補推輓輸出。
當上圖電路用雙電源供電使,輸出Vo即不可達到正電源電壓,也不能達到負電源電壓。因為輸出管BG7,BG8總有一定的壓降,這個壓降來自CE結壓降。
如果把負電源端接地,正電源接2倍的VCC,然後通過在輸入加偏置,使之輸出靜態情況為VCC,這就是所謂的雙電源改成單電源供電,說白了只是參考點發生了變化,由中點變成了負電源端。也就是負電源端是0V,因為運放輸出到不了負電源,也就到不了0V。所以,一般雙電源運放改單電源最大的問題,輸出到不了0V(即最低電壓值)。
單電源運放這個詞的意思,根本不是單電源能放大交流的意思,而是單電源供電時,最低輸出電壓能到0V。
LM358電路中Q7,以及Q7下端那個恆流源的作用就是讓最低輸出電壓能達到0V。一般來說,輸出電壓下降到Q13的C-E間飽和壓降(VCE)就無法再下降了。但這種特殊設計,使得電壓進一步下降時,電流還可以從恆流源中通過。最終輸出電壓,最低可以只有幾十個mv,這就是單電源供電運放的特殊設計。
單電源的意思是:輸出能夠儘可能接近負電源電壓,如果用單電源供電,輸出能夠儘可能接近0V。如果用某種特殊的設計,使得輸出既可以儘可能接近負電源電壓,又可以儘可能接近正電源電壓,那就叫做軌到軌(Rail-to-Rail)運放。
也就是,三種運放對比:
普通運放:輸出即無法達到負電源電壓,也無法達到正電源電壓。
單電源運放:輸出可以達到負電源電壓,但無法達到正電源電壓。
軌到軌運放:輸出既可以達到負電源電壓,又可以達到正電源電壓。
對於單電源運放放大交流訊號的問題?答案是不能放大交流,因為它的最低輸出是0V,而交流有負值。所以任何運放單電源供電都不能直接放大交流。那怎麼辦呢?辦法就是模擬雙電源情況,讓運放靜態(無交流輸入時),輸出為電源電壓的一半。這樣加入交流輸入,輸出就在電源電壓一半上下襬動,換而言之,輸出是一個交流疊加在直流上,然後用電容器隔斷直流,就取出交流訊號了。
如上圖,RF和R1構成常規反相放大器。C1和C2是輸出的隔直電容,不可省略!R2、R3是偏置電路,如果R2=R3,那麼輸出Vo(DC)就是電源電源的1/2。
總結:單電源運放一般適合放大從0V開始的直流訊號,如果想放大交流訊號只需加入偏置電路,改變運放的參考點。