双电源运放电路设计

使用双电源的运放交流放大电路

为了使运放在零输入时零输出，运放的内部电路是按使用双电源的要求来设计的。运放交流放大电路采用

双电源供电，可以增大动态范围。

1．1．1 双电源同相输入式交流放大电路

图1是使用双电源的同相输入式交流放大电路。两组电源电压VCC和VEE相等。C1和C2为输入和输出耦合电容；R1使运放同相输入端形成直流通路，内部的差分管得到必要的输入偏置电流；RF引入直流和交流负反馈，并使集成运放反相输入端形成直流通路，内部的差分管得到必要的输入偏置电流；由于C隔直流，使直流形成全反馈，交流通过R和C分流，形成交流部分反馈，为电压串联负反馈。引入直流全反馈和交流部分反馈后，可在交流电压增益较大时，仍能够使直流电压增益很小(为1倍)，从而避免输入失

调电流造成运放的饱和。

无信号输入时，运放输出端的电压V0≈0V，交流放大电路的输出电压U0=0V；交流信号输入时，运放输出端的电压V0在-VEE～+VCC之间变化，通过C2输出放大的交流信号，输出电压uo的幅值近似为VCC(VCC=VEE)。引入深度电压串联负反馈后，放大电路的电压增益为放大电路输入电阻Ri=R1／／γif。γif是运放引入串联负反馈后的闭环输入电阻。γif很大，所以Ri=R1／γif≈R1；放大电路

的输出电阻R0=γof≈0，γof是运放引入电压负反馈后的闭环输出电阻，rof很小。

1．1．2 双电源反相输入式交流放大电路

图2是使用双电源的反相输入式交流放大电路。两组电源电压VCC和VEE相等。RF引入直流和交流负反馈，C1隔直流，使直流形成全反馈，交流通过R和C1分流，形成交流部分反馈，为电压并联负反馈。为了减小运放输入偏置电流造成的零点漂移，可以选择R1=RF。引入深度电压并联负反馈后，放大电路的电压增益为因为运放反相输入端"虚地"，所以放大电路的输入电阻Ri≈R；放大电

路的输出电R0=r0f≈0。

1．2 使用单电源的运放交流放大电路

在采用电容耦合的交流放大电路中，静态时，当集成运放输出端的直流电压不为零时，由于输出耦合电容的隔直流作用，放大电路输出的电压仍为零。所以不需要集成运放满足零输入时零输出的要求。因此，集成运放可以采用单电源供电，其-VEE端接"地"(即直流电源负极)，集成运放的+Vcc端接直流电源正极，这时，运放输出端的电压V0只能在0～+Vcc之间变化。在单电源供电的运放交流放大电路中，为了不使放大后的交流信号产生失真，静态时，一般要将运放输出端的电压V0设置在0至+Vcc值的中间，即V0=+Vcc／2。这样能够得到较大的动态范围；动态时，V0在+Vcc／2值的基础上，上增至接近+Vcc值，下降

至接近0V，输出电压uo的幅值近似为Vcc／2。图3请见原稿

1．2．1 单电源同相输入式交流放大电路

图3是使用单电源的同相输入式交流放大电路。电源Vcc通过R1和R2分压，使运放同相输入端电位由于C隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时运放输出端的电压V0=V-≈V+=+Vcc／2；C通交流，

使RF引入交流部分负反馈，是电压串联负反馈。放大电路的电压增益为

放大电路的输入电阻Ri=R1／R2／rif≈R1／R2，

放大电路的输出电阻R0=r0f≈0。

1．2．2 单电源反相输入式交流放大电路

图4是使用单电源的反相输入式交流放大电路。电源V cc通过R1和R 2分压，使运放同相输入端电位

为了避免电源的纹波电压对V+电位的干扰，可以在R2两端并联滤

波电容C3，消除谐振；由于C1隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时，运放输出端的电压V0=V-≈V+=+Vcc／2；C1通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压并联负反馈。放大电路的电压增益为

放大电路的输入电阻Ri≈R，放大电路的输出电阻R0=r0f≈0。

2 运放交流放大电路的设计

在设计单级运放交流放大电路时，

(1)选择能够满足使用要求的集成运算放大器。在采用电容耦合的交流放大电路中，由于电容隔直流，交流放大电路输出的温度漂移电压很小。因此，对集成运放漂移性能的要求可以降低，主要从转换速率、增益带宽、噪声等方面来考虑选用集成运放。对脉冲信号、宽频带交流信号和视频信号等，应选用转换速率较高、增益带宽至少是最高工作频率10倍的集成运放。对音质要求比较高的音频交流放大电路中常采用高速

低噪声的集成运放，如双运放的4558、NE5532等。

(2)确定采用双电源供电还是单电源供电。在使用条件许可的情况下，运放交流放大电路尽量采用双电源供电方式，以增大线性动态范围。当集成运放双电源使用时，正、负电源电压一般要对称。且电源电压不要超过使用极限，电源滤波要好。为了消除电源内阻引起的低频自激，常常在正、负电源接线与地之间分别加0．01～0．1 μF的电容退耦。使用单电源供电时，运放同相输入端电位要小于该运放的最大共模输入电

压。

(3)确定输入信号是同相输入还是反相输入。若要求放大电路的输入电阻比较大，应采用同相输入式交流放大电路。因为反相输入式交流放大电路输入电阻的提高会影响电压增益。由图2或图4相关计算式可知，增大反相输入式交流放大电路输入电阻时，该电路电压增益将减小，且电压增益也会受信号源内阻的影响。所以在设计反相输入式交流放大电路时，有时输入电阻和电压增益的选择难以兼顾。而采用图1或图3同相输入式交流放大电路时，图1中的R1偏置电阻值适当增大，或者图3中的R1和R2分压电阻值适当增大，就能够提高放大电路的输入电阻，而对电压增益无影响。另外，为了有效地提高图3放大电路的输入

电阻，可以对电路做一些改进，改进电路如图5所示。

该放大电路输入电阻Ri≈R3，当R3值图5见原稿选择大时，放大电路输入电阻Ri值就大。所以明显地提

高了放大电路的输入电阻。

(4)确定交流放大电路电压增益。单级运放交流放大电路的电压增益Au通常不要超过100倍(40dB)。过高的电压增益不但会使放大电路的通带下降，也容易感应高频噪声或产生自激振荡。如果要得到一个放大倍

数比较大的放大器，可用两级等增益的运放电路或者多级等增益的运放电路来实现。

(5)确定交流放大电路中的电阻值。一般应用中阻值在1～100kΩ之间比较合适。高速的应用中阻值在100Ω～1k Ω之间，但会增大电源的消耗。便携设计中阻值在1～10M Ω之间，但会增大系统噪声。先设定图中运放反向输入端R电阻值，根据相关电路的电压增益计算式，再估算出反馈电阻RF的值。最好采用金

属膜电阻，以减小内噪声。

(6)确定放大电路中的电容值。信号耦合电容的大小决定放大电路的低频特性。根据交流放大电路信号频率的高低选择耦合电容值。若放大的是低频交流信号，如音频信号，耦合电容值可选择1～22 μF之间；若放大的是高频交流信号，耦合电容值可选择1000pF～0．1 μ F之间。同相输入式交流放大电路引入直流全反馈的隔直流电容值由C=1／20πfR式估算。式中f是输入信号的最低频率。音频信号的最低频率为20Hz，当R≥1k Ω时，经过上式估算，选择C=100 μF时，已经能够满足要求。滤波电容值选择100～1000 μ F

之间。