集成運(yùn)算放大器使用電源的不對稱性

符 慶

(海南科技職業(yè)學(xué)院，海南?？?71126)

集成運(yùn)算放大器是一種模擬集成電路，它早期主要用于模擬計算機(jī)以實現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，并由此而得名，以至沿用至今.然而現(xiàn)在的集成運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了模擬運(yùn)算的范圍，它已作為一種高增益器件而廣泛用于各種電子設(shè)備中，尤其在通信、音視頻、自動控制、測量方面，集成運(yùn)算放大器已是必不可少的器件.

然而，在各種關(guān)于集成運(yùn)算放大器的教材中，幾乎都沒有闡述關(guān)于集成運(yùn)算放大器供電電源的實用使用知識，而這方面的知識在社會實踐上又是經(jīng)常用到的，因此，很有必要針對有關(guān)教材做這方面的補(bǔ)充和完善.為此，筆者結(jié)合實際經(jīng)驗及相關(guān)理論，就集成運(yùn)算放大器電源使用方面的實用知識做了探討，茲簡要介紹如下.

1 集成運(yùn)放的電源偏置

1.1 使用雙電源的必要性 集成運(yùn)算放大器的種類繁多，按照供電電源的使用方式可分為兩類:一類是單電源，另一類是雙電源.那么，為什么要采用雙電源供電呢?運(yùn)算放大器實質(zhì)上是高增益的直接耦合放大電路.由于工藝技術(shù)的原因，集成電路內(nèi)部各級的連接均是采用直接耦合方式，而由于直接耦合方式存在著一個重要缺陷—零點(diǎn)漂移問題，為了克服這個問題，集成運(yùn)放的輸入級均做成了差分電路的形式，圖1所示是兩個基本的差分電路.

圖1 基本差分電路

由差分電路的特點(diǎn)得知，采用雙端輸入能發(fā)揮電路對零點(diǎn)漂移的抑制作用.而就其適用性而言，當(dāng)運(yùn)放與其他電路結(jié)合使用時，未必都能獲得雙端輸入，當(dāng)輸入方式是單端輸入時，如何才能發(fā)揮差分電路的作用呢?實際上，在圖1電路的基礎(chǔ)上，串入電阻RE和負(fù)電源－VEE(如圖2所示)，就解決了這個問題.

圖2 使用雙電源的差分電路

圖3 等效圖

RE有兩個作用［1］:一是E極負(fù)反饋電阻，起穩(wěn)定Q點(diǎn)(靜態(tài)工作點(diǎn))的作用;二是信號耦合，使單端輸入等效為雙端輸入，其具體過程如下:

當(dāng)有ui輸入時→IC1↑→IE1↑→(ΔICE1為正值)→UE↑→UBE2↓→ICE2↓→(ΔICE2為負(fù)值)，因為元件的對稱性，∣ΔICE1∣=∣ΔICE2∣，所以ΔICE1+ΔICE2=0.

可見，對于變化的ui來說，RE可視為開路，等效圖如圖3所示:

所以，有RE的耦合作用后，兩個管是同時獲得輸入信號的.

負(fù)電源－VEE的作用是把E點(diǎn)電位拉低，補(bǔ)償RE上的壓降，使Q點(diǎn)保持在合適的位置，從而擴(kuò)大電路的輸出動態(tài)響應(yīng)范圍.

實際的運(yùn)放IC內(nèi)部，電阻RE和負(fù)電源－VEE是用電流源電路代替的，電流源電路既可為放大器提供偏置，又可用作放大器的有源負(fù)載和提高電路的性能.

1.2 雙電源的可不對稱性 各種教學(xué)用的電子類教材在提及集成運(yùn)放的供電電源時，幾乎清一色地提示或說明使用對稱的雙電源(±VCC)，這是不完善的，也正是需要補(bǔ)正的地方.實際上，集成運(yùn)放所使用的供電雙電源是可以不對稱的，在實際的電子電路中，正負(fù)電源不對稱的情況是常見的.就像一條雙向公路，在一般情況下，交管部門都是將其一分為二，把分道線畫在中間，使兩邊的車道一樣寬.但在一些特殊路段，車流量大的方向就需要車道寬些，而車流量小的方向就不必要設(shè)那么寬的車道.運(yùn)放電路也是一樣，使用電源時，只要信號幅度不超過電源電壓的90%即可.

下面以一道電子設(shè)計競賽綜合測評題的解答來進(jìn)行說明.

2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽綜合測評題:

使用一片通用四運(yùn)放芯片LM324組成電路框圖見圖4，實現(xiàn)下述功能:

使用低頻信號源，使其產(chǎn)生ui1=0.1 sin 2π fot(V)，fo=500 Hz的正弦波信號，加至加法器的輸入端，加法器的另一輸入端加入由自制振蕩器產(chǎn)生的信號uo1，uo1如圖5所示，t1=0.5 ms，允許t1有±5% 的誤差.

圖4 電路組成框圖

圖4中要求加法器的輸出電壓ui2=10 ui1+uo1.ui2經(jīng)選頻濾波器除uo1頻率分量，選出 fo信號為uo2，uo2為峰值等于9 V的正弦信號，用示波器觀察無明顯失真.uo2信號再經(jīng)比較器后在1 kΩ負(fù)載上得到峰值為2 V的輸出電壓uo3.

電源只能選用+12 V和+5 V兩種單電源，由穩(wěn)壓電源供給，不得使用額外電源和其他型號的運(yùn)算放大器(允許帶教材、參考書入場)

圖5 波形圖

解答這道題，有兩個關(guān)鍵點(diǎn):一是如何使用電源(教科書上沒有這方面知識);二是如何只用一個運(yùn)放來產(chǎn)生三角波(教科書上闡述的都是要用兩個運(yùn)放).

在此，筆者就第一個關(guān)鍵點(diǎn)來介紹電源的不對稱性使用.

題中要求信號的最大幅度是9 V的峰—峰值，也就是正負(fù)半周各4.5 V，波形圖如圖6所示:

由圖6可知，只要把電源接成 +VCC=12 V，－VEE=－5 V即可滿足答題要求.

賽場提供+12 V和+5 V 2種單電源，只要把+5 V電源倒過來接成－5 V即可(見圖7所示):

圖6 使用不對稱雙電源時的波形

圖7 解題方案

只要抓住這兩個關(guān)鍵點(diǎn)，正確解答該題并不難.

2 不同電源的使用

大多數(shù)集成運(yùn)算放大器都采用雙電源供電，雙電源類的集成運(yùn)放，既可以用對稱雙電源供電，也可以用不對稱雙電源供電，還可以用單電源供電.單電源供電方式因運(yùn)放工作時只需提供單路電源的便捷優(yōu)點(diǎn)而日益廣泛應(yīng)用.但是，使用運(yùn)放對交流信號進(jìn)行放大時，不能簡單地直接使用單電源供電，否則，交流信號的負(fù)半周將被截除.正確使用單電源供電的方法是把Q點(diǎn)(靜態(tài)工作點(diǎn))線設(shè)置在Vcc/2處，同時，還要采用電容隔直法，避免運(yùn)放電路和其他電路的直流電位的相互牽制.

2.1 不同電源的偏置原理

2.1.1 對稱雙電源 使用對稱雙電源供電時，靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn)線)為0，如圖8(a)所示.

圖8 3種電源使用方式的偏置原理

2.1.2 不對稱雙電源 使用不對稱雙電源供電時，如果信號負(fù)半周峰值電壓不超過VEE的90%，則可不做特殊偏置設(shè)置(見圖6);如果要充分利用動態(tài)范圍，則需要把Q點(diǎn)設(shè)置在(Vcc+VEE)/2處，如圖8(b)所示.

2.1.3 單電源 使用單電源供電時，需要把Q點(diǎn)設(shè)置在Vcc/2處，亦即把集成運(yùn)放的兩輸入端電位抬高至電源電壓的一半(即Vcc/2)，抬高后的這個電位就相當(dāng)于雙電源供電時的“地”電位，因此在靜態(tài)工作時，輸出端的電位也將等于兩輸入端的靜態(tài)電位(即Vcc/2)，見圖8(c)所示:

2.2 單電源的偏置方法［2］

使用對稱或不對稱雙電源供電時，把電源直接接在相應(yīng)的端子即可，而使用單電源供電時，需采用下列方法進(jìn)行偏置的設(shè)置.

2.2.1 單端疊加Vcc/2偏置法 如果運(yùn)放的一個輸入端接地，則另一個輸入端輸入對地偏置VCC/2的信號，如圖9的(a)、(b)所示:

圖9 單端疊加Vcc／2偏置電壓的接法

2.2.2 雙端疊加Vcc/2偏置法

圖10 雙端疊加Vcc／2偏置電壓的接法

2.3 常用的單電源偏置電壓的獲得方法［2］

實現(xiàn)單電源供電，最簡單和常用的方法是如圖11(a)所示的電阻分壓法，由兩個相同的電阻分壓獲得Vcc/2偏置電源，這種偏置電壓源的輸出阻抗大，適用于對偏置電壓精度要求不高的場合.

圖11 單電源偏置電壓的常用獲得法

若對偏置電壓精度要求高，可在圖11(a)電路的基礎(chǔ)上，增加一個單電源運(yùn)放，組成圖11(b)所示的恒壓源電路，該電路實際上是一個電壓跟隨器，在其輸出端可獲得精確的Vcc/2偏置電壓.

使用單電源雖然可使電路簡化，但此時的運(yùn)放工作在甲類狀態(tài)，靜態(tài)損耗較大.同時，運(yùn)放的技術(shù)特性會比雙電源供電時要差一些，當(dāng)輸入信號接近0 V或+Vcc時，會使運(yùn)放工作在非線性區(qū)，放大器輸出會出現(xiàn)飽和失真或截止失真，也就是輸出動態(tài)響應(yīng)范圍變窄.

3 單電源供電的典型應(yīng)用

3.1 反相交流放大器

圖12 反相交流放大器（雙電源）

圖13 反相交流放大器（單電源）

3.2 同相交流放大器

圖14 同相交流放大器（雙電源）

圖15 同相交流放大器（單電源）

3.3 矩形波信號發(fā)生器

圖16 矩形波發(fā)生器（雙電源）

圖17 矩形波發(fā)生器（單電源）

3.4 正弦波信號發(fā)生器

圖18 正弦波發(fā)生器（雙電源）

圖19 形正弦波發(fā)生器（單電源）

4 結(jié)束語

集成運(yùn)算放大器在電子電路中得到廣泛的應(yīng)用，而在應(yīng)用中有一些值得注意的特殊地方，具體應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合實際情況合理選用.本文主要講述了運(yùn)放供電電源的使用原理，并列舉了幾個典型的應(yīng)用實例，以供電子愛好者在實際使用時參考，同時，期望對完善教材有所幫助.

［1］易沅屏.電工學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1993.

［2］王曉東.單電源運(yùn)放的偏置原因分析與偏置方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(12):123－125.