集成运算放大器使用电源的不对称性

符 庆

(海南科技职业学院，海南海口571126)

集成运算放大器是一种模拟集成电路，它早期主要用于模拟计算机以实现各种数学运算，并由此而得名，以至沿用至今.然而现在的集成运放的应用已远远超出了模拟运算的范围，它已作为一种高增益器件而广泛用于各种电子设备中，尤其在通信、音视频、自动控制、测量方面，集成运算放大器已是必不可少的器件.

然而，在各种关于集成运算放大器的教材中，几乎都没有阐述关于集成运算放大器供电电源的实用使用知识，而这方面的知识在社会实践上又是经常用到的，因此，很有必要针对有关教材做这方面的补充和完善.为此，笔者结合实际经验及相关理论，就集成运算放大器电源使用方面的实用知识做了探讨，兹简要介绍如下.

1 集成运放的电源偏置

1.1 使用双电源的必要性 集成运算放大器的种类繁多，按照供电电源的使用方式可分为两类:一类是单电源，另一类是双电源.那么，为什么要采用双电源供电呢?运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路.由于工艺技术的原因，集成电路内部各级的连接均是采用直接耦合方式，而由于直接耦合方式存在着一个重要缺陷—零点漂移问题，为了克服这个问题，集成运放的输入级均做成了差分电路的形式，图1所示是两个基本的差分电路.

图1 基本差分电路

由差分电路的特点得知，采用双端输入能发挥电路对零点漂移的抑制作用.而就其适用性而言，当运放与其他电路结合使用时，未必都能获得双端输入，当输入方式是单端输入时，如何才能发挥差分电路的作用呢?实际上，在图1电路的基础上，串入电阻RE和负电源－VEE(如图2所示)，就解决了这个问题.

图2 使用双电源的差分电路

图3 等效图

RE有两个作用［1］:一是E极负反馈电阻，起稳定Q点(静态工作点)的作用;二是信号耦合，使单端输入等效为双端输入，其具体过程如下:

当有ui输入时→IC1↑→IE1↑→(ΔICE1为正值)→UE↑→UBE2↓→ICE2↓→(ΔICE2为负值)，因为元件的对称性，∣ΔICE1∣=∣ΔICE2∣，所以ΔICE1+ΔICE2=0.

可见，对于变化的ui来说，RE可视为开路，等效图如图3所示:

所以，有RE的耦合作用后，两个管是同时获得输入信号的.

负电源－VEE的作用是把E点电位拉低，补偿RE上的压降，使Q点保持在合适的位置，从而扩大电路的输出动态响应范围.

实际的运放IC内部，电阻RE和负电源－VEE是用电流源电路代替的，电流源电路既可为放大器提供偏置，又可用作放大器的有源负载和提高电路的性能.

1.2 双电源的可不对称性 各种教学用的电子类教材在提及集成运放的供电电源时，几乎清一色地提示或说明使用对称的双电源(±VCC)，这是不完善的，也正是需要补正的地方.实际上，集成运放所使用的供电双电源是可以不对称的，在实际的电子电路中，正负电源不对称的情况是常见的.就像一条双向公路，在一般情况下，交管部门都是将其一分为二，把分道线画在中间，使两边的车道一样宽.但在一些特殊路段，车流量大的方向就需要车道宽些，而车流量小的方向就不必要设那么宽的车道.运放电路也是一样，使用电源时，只要信号幅度不超过电源电压的90%即可.

下面以一道电子设计竞赛综合测评题的解答来进行说明.

2011年全国大学生电子设计竞赛综合测评题:

使用一片通用四运放芯片LM324组成电路框图见图4，实现下述功能:

使用低频信号源，使其产生ui1=0.1 sin 2π fot(V)，fo=500 Hz的正弦波信号，加至加法器的输入端，加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1，uo1如图5所示，t1=0.5 ms，允许t1有±5% 的误差.

图4 电路组成框图

图4中要求加法器的输出电压ui2=10 ui1+uo1.ui2经选频滤波器除uo1频率分量，选出 fo信号为uo2，uo2为峰值等于9 V的正弦信号，用示波器观察无明显失真.uo2信号再经比较器后在1 kΩ负载上得到峰值为2 V的输出电压uo3.

电源只能选用+12 V和+5 V两种单电源，由稳压电源供给，不得使用额外电源和其他型号的运算放大器(允许带教材、参考书入场)

图5 波形图

解答这道题，有两个关键点:一是如何使用电源(教科书上没有这方面知识);二是如何只用一个运放来产生三角波(教科书上阐述的都是要用两个运放).

在此，笔者就第一个关键点来介绍电源的不对称性使用.

题中要求信号的最大幅度是9 V的峰—峰值，也就是正负半周各4.5 V，波形图如图6所示:

由图6可知，只要把电源接成 +VCC=12 V，－VEE=－5 V即可满足答题要求.

赛场提供+12 V和+5 V 2种单电源，只要把+5 V电源倒过来接成－5 V即可(见图7所示):

图6 使用不对称双电源时的波形

图7 解题方案

只要抓住这两个关键点，正确解答该题并不难.

2 不同电源的使用

大多数集成运算放大器都采用双电源供电，双电源类的集成运放，既可以用对称双电源供电，也可以用不对称双电源供电，还可以用单电源供电.单电源供电方式因运放工作时只需提供单路电源的便捷优点而日益广泛应用.但是，使用运放对交流信号进行放大时，不能简单地直接使用单电源供电，否则，交流信号的负半周将被截除.正确使用单电源供电的方法是把Q点(静态工作点)线设置在Vcc/2处，同时，还要采用电容隔直法，避免运放电路和其他电路的直流电位的相互牵制.

2.1 不同电源的偏置原理

2.1.1 对称双电源 使用对称双电源供电时，静态工作点(Q点线)为0，如图8(a)所示.

图8 3种电源使用方式的偏置原理

2.1.2 不对称双电源 使用不对称双电源供电时，如果信号负半周峰值电压不超过VEE的90%，则可不做特殊偏置设置(见图6);如果要充分利用动态范围，则需要把Q点设置在(Vcc+VEE)/2处，如图8(b)所示.

2.1.3 单电源 使用单电源供电时，需要把Q点设置在Vcc/2处，亦即把集成运放的两输入端电位抬高至电源电压的一半(即Vcc/2)，抬高后的这个电位就相当于双电源供电时的“地”电位，因此在静态工作时，输出端的电位也将等于两输入端的静态电位(即Vcc/2)，见图8(c)所示:

2.2 单电源的偏置方法［2］

使用对称或不对称双电源供电时，把电源直接接在相应的端子即可，而使用单电源供电时，需采用下列方法进行偏置的设置.

2.2.1 单端叠加Vcc/2偏置法 如果运放的一个输入端接地，则另一个输入端输入对地偏置VCC/2的信号，如图9的(a)、(b)所示:

图9 单端叠加Vcc／2偏置电压的接法

2.2.2 双端叠加Vcc/2偏置法

图10 双端叠加Vcc／2偏置电压的接法

2.3 常用的单电源偏置电压的获得方法［2］

实现单电源供电，最简单和常用的方法是如图11(a)所示的电阻分压法，由两个相同的电阻分压获得Vcc/2偏置电源，这种偏置电压源的输出阻抗大，适用于对偏置电压精度要求不高的场合.

图11 单电源偏置电压的常用获得法

若对偏置电压精度要求高，可在图11(a)电路的基础上，增加一个单电源运放，组成图11(b)所示的恒压源电路，该电路实际上是一个电压跟随器，在其输出端可获得精确的Vcc/2偏置电压.

使用单电源虽然可使电路简化，但此时的运放工作在甲类状态，静态损耗较大.同时，运放的技术特性会比双电源供电时要差一些，当输入信号接近0 V或+Vcc时，会使运放工作在非线性区，放大器输出会出现饱和失真或截止失真，也就是输出动态响应范围变窄.

3 单电源供电的典型应用

3.1 反相交流放大器

图12 反相交流放大器（双电源）

图13 反相交流放大器（单电源）

3.2 同相交流放大器

图14 同相交流放大器（双电源）

图15 同相交流放大器（单电源）

3.3 矩形波信号发生器

图16 矩形波发生器（双电源）

图17 矩形波发生器（单电源）

3.4 正弦波信号发生器

图18 正弦波发生器（双电源）

图19 形正弦波发生器（单电源）

4 结束语

集成运算放大器在电子电路中得到广泛的应用，而在应用中有一些值得注意的特殊地方，具体应用时应结合实际情况合理选用.本文主要讲述了运放供电电源的使用原理，并列举了几个典型的应用实例，以供电子爱好者在实际使用时参考，同时，期望对完善教材有所帮助.

［1］易沅屏.电工学［M］.北京:高等教育出版社，1993.

［2］王晓东.单电源运放的偏置原因分析与偏置方法［J］.现代电子技术，2006(12):123－125.