单电源运放偏置原因及电路图分析
1、引言
单电源运放不仅随着手持设备的增加而应用范围越来越广,而且他也因为有助于简化系统的电源种类、提高设备的可靠性而日益受到重视。但是单电源运放设计时需要考虑一些复杂的问题,在这些复杂问题中尤以单电源运放的偏置问题最为关键。目前少有文献对此详细论述,因此本文详细分析了单电源运放的偏置原因并介绍了常用偏置方法。
2、单电源运放的介绍
单电源运放按照输出摆幅分为2 类: 一类是以LM358 ,LM324 等为代表的传统单电源运放。他们的共同特点是输出幅值不能摆动到电源电压的上下限,因此限制了输出电路的动态响应范围;另一类是以TLV2472 等为代表的rail to rail (轨对轨) 单电源运放,他们的优点是输出幅值可以摆动到电源电压的上、下限,因而具有理想运放的特性。本文只讨论最普通的LM358 运放,但讨论的结果同样实用于性能优越的rail to rail 单电源运放。
单电源运放不仅可以单电源供电,而且也可以双电源供电。如果采用双电源供电,单电源运放就失去了他的优势,从而与普通的双电源运放在使用上没有太大的区别。因此本文只讨论单电源运放的单电源供电工作方式。
3、单电源运放内部电路分析
通用单电源运放的内部电路原理图基本相同,这里以LM358 作为对象进行分析。LM358 的内部电路原理图如图1 所示 。分析时按照偏置电路、差分输入级、中间放大级、推挽输出级4 个部分逐一分析。
图1 LM358 内部电路原理图
3. 1 偏置电路
在TI 公司LM358 的数据手册中,运放内部的偏置电路已经全部用等效电流源替代。这些电流源分别为整个电路提供合适的静态工作点,或作为有源负载。
3. 2 差分输入级
输入级是双端输入单端输出的差分放大电路。其中Q1 和Q4 为纵向PNP 管放大倍数大, Q2 与Q3 为横向PNP管,发射结承压高。电路采用的是共集共射形式,因此输入级有较强的放大能力、较高的耐压能力和较高的输入电阻。
3. 3 中间放大级
中间放大级也采用的是共集共射放大电路。Q10 , Q11组成两级共射跟随器, 使中间放大级具有很大的输入电阻,从而进一步提高了输入级的放大倍数。Q10 , Q11 虽然不能放大电压,但是具有很大的电流放大倍数,可以为Q12 提供更大的基极电流,同时100μA 的电流源也作为Q12 的有源负载使中间级有很大的放大能力。
3. 4 输出级
输出级分为2 种情况。当双电源供电时由Q5 , Q6 , Q13组成互补输出级但是存在交越失真。当单电源供电时Q5 ,Q6 组成两级射级跟随电路, 使输出级具有很低的输出电阻。此时Q12 的集电极电位:
UC12 = UB E5 + UBE6 + URSC + UO
输出端的电位UO 是Q13 的发射级电位,所以Q13 的发射结反偏截止。
4 偏置原因分析
从上述LM358 内部电路分析可知,单电源供电时运放只能放大对地电压为正(信号同相端输入) 或为负(信号反向端输入) 的直流信号。如果输入信号对地为交流时,负半波(信号同相端输入) 或正半波(信号反向端输入) 因为Q13的发射结反偏截止而无法放大,使输出波形严重失真。因此为了获得不失真的交流放大波形,需通过给输入信号叠加对地V CC/ 2 的偏置电压,而得到对地电压大于零的直流信号。选取V CC/ 2 作为偏置电压的目的是为了获得最大的输出动态响应范围。
但是如果运放的一个输入端输入对地偏置V CC/ 2 的信号,另一个输入端接地,就可以得到如图2 所示的(a) ,(b) 两种情况。由图2 (a) 可得输出电压表达式:
图2 单端叠加V CC/ 2 偏置电压的电路原理图
由该式可知输出电压应该是负值,但是由于单电源运放的输出下限饱和值接近0 V ,而不可能输出负电压。因此运放的输出电压也接近0 V ,输出波形严重失真。由图2 ( b)可得输出电压表达式:
同样由该式可知,在有效信号放大的同时偏置电压V CC/ 2也被放大到输出端。因为运放饱和输出电压的限制,使电压放大倍数被限制在2 倍的范围。若超过这个范围,输出电压饱和、被放大信号波形失真。因此有效信号无法获得足够的放大倍数。
从上面的分析可以得出下面的结论:当输入的交流信号对地叠加V CC/ 2 偏置电压后,就必须在运放的另一个输入端也叠加V CC/ 2 的偏置电压。如图3 所示。
图3 双端叠加V CC/ 2 偏置电压的电路原理图
由图3 (a) , (b) 可分别得到输出电压表达式:
从上述的两个表达式分析可得出,偏置电压V CC/ 2 没有被放大,有效信号能获得足够的放大倍数,并且无论输入信号是从同相端接入还是从反向端接入都可以获得不失真的波形。但是此时输出电压包含V CC/ 2 的直流分量,这可以通过在输出端加隔直电容C 滤除直流偏压,进而得到只放大但不失真的输出电压信号。
5 常用单电源运放的偏置方法
5. 1 电阻分压法
电阻分压方法的电路原理图如图4 (a) 所示。这是一种最常用的偏置方法。他通过用2 个100 kΩ 的电阻R1 ,R2 组成分压网络,形成V CC/ 2 的偏置电压。该方法不仅简单而且成本低。
但是该偏置电压源的输出阻抗大(因为在电池供电的设备中对功耗要求非常严格,所以电阻不能太小) ,输出电流IO的变化对偏置电压精度的影响很大。因此电阻分压法一般适用于偏置电压精度要求不高的场合。
5. 2 运放电压跟随器法
运放电压跟随器法的电路原理图如图4 ( b) 所示。图中V CC被R1 , R2 分压后接到由单电源运放组成的电压跟随器,进而形成V CC/ 2 的偏置电压源。
图4 常用偏置方法的电路原理图
运放组成的电压跟随器是电压串联负反馈,因此他具有很高的输入阻抗与很低的输出阻抗。这样运放的输出端可以看作一个VCC/ 2 的恒压源,输出电流IO的变化对偏置电压几乎没有影响,因此获得精确的VCC/ 2 偏置电压。但是由于增加了一个单电源运放,这种方法的成本比较高。
5. 3 射级电压跟随器法
射级电压跟随器法的电路原理图如图4 (c) 所示。该方法与运放电压跟随器法相似,但是这里采用三极管Q1组成的射极电压跟随器作为电阻分压的输出级。
射级电压跟随器同样具有输入阻抗高、输出阻抗低的特性,因此该方法也可以避免电阻分压法中输出阻抗高的不足。并且由于只增加了1 个三极管,所以成本也比运放电压跟随器法低。但是根据偏置电压计算得到的电阻值经常需要结合实际电阻值选择,因此偏置电压存在误差。
