4. 放大器的单电源应用
7.1. 单电源运放的应用基础 7.1.1. 什么是单电源运放
所有的运放都有两个电源管脚，正的和负的。我们并不赞同把运放分为两类：双电源运放和单电源运放，因为这容易让初学者产生误解：似乎单电源运放必须接单一电源，而双电源运放必须接两个电源，其实不然。正确的理解是，任何运放都可以单电源工作，也可以双电源工作，但是，确实有一些运放，非常适合于工作在单一电源供电场合，厂家也在数据手册中标注“Single-Supply”或者将运放的电源脚干脆定义成“VDD”+“GND”。这就是现在俗称的单电源运放。
所谓的单电源运放，一般指输入端可以接受等于负电源或者低于负电源的电位的运放，也就是输入可至负轨（见下节）。它们适合于单电池供电的便携设备中。
通常，单电源运放的某些指标要差于双电源运放，比如带宽，失真度等。 所谓的双电源运放，其实也可以工作于单电源状态下，只是你得在设计中考虑它具有较高的输出摆幅死区—电源电压与输出最大值之间的差值，以及较高的输入摆幅死区。
因此，在一般单电源设计中，请首先选择标称为单电源运放的放大器，在高手或者极为谨慎的情况下，选择其它高性能双电源运放也是可以的。
本文中所述的运放，除非特殊说明，一般以TI公司的TLV247XA单电源运放为例。 假设存在一个系统地，称之为GND。本文中所有的电位，都有GND为参考点。
7.1.2. 轨至轨特性
轨至轨，也叫轨对轨、轨到轨，英文原文是railtorail，简写RR，细化称呼有RRI—输入轨至轨，RRO——输出轨至轨，以及RRIO——输入输出轨至轨。
任何一个运放的正电源输入，定义为正电源轨，负电源输入定义为负电源轨，合称电源轨；输入可以承载的最大电位——超过这个电位的输入，一方面不会引起更大的输出，另一方面也可能对运放造成伤害——称为正输入轨，输入可以承载的最小电位称为负输入轨，合称输入轨；输出可以达到的最大电位——在不外接其他提升电路的情况下，输出最大只能达到这个电位——称为正输出轨，输出可以达到的最小电位称为负输出轨，合称输出轨。
所谓的输出轨至轨，是指正输出轨非常接近于正电源轨，负输出轨非常接近于正电源轨，用RRO（railtorailoutput）表示。电源轨与输出轨的差值称为轨差，一般在1mV~几百mV，说明输出范围很大，几乎可以达到电源范围。输出轨差2V以上的，是“非输出轨至轨”运放，比如LM324，OPA227等。而输出轨差1V以下的，可以称之为输出轨至轨运放。从此可以看出，英文railtorail，译为轨至轨，就是说明两个轨非常靠近的意思。
所谓的输入轨至轨，是指正输入轨非常靠近正电源轨，负输入轨非常接近于正电源轨，用RRI（railtorailinput）表示。电源轨和输入轨的差值称为轨差，一般0mV~几百mV，说明可以承载的输入范围很大，几乎可以达到电源范围。很多输入轨至轨运放，输入范围甚至超过了电源轨，比如负输入电位可以比负电源轨还低。
有一些运放，输入和输出都具备轨至轨特性，就称之为RRIO运放。
图7-1-1给出了一个形象的轨示意图。左侧是一个普通的双电源运放，它具有较为明显的输入和输出轨差，不能称之为轨至轨。而右侧是一个标准的单电源运放，采用了一半电源实现单电源供电。需要注意的是，某些单电源运放的输入可以接受负轨之外的电压，如图中红线所示。
输入轨至轨 输出轨至轨
VD VD swing to rail 正电源轨 正电源轨 swing to rail 输出轨差 输入轨差 正输出轨 UREF 正输入轨 负电源轨 UREF GND 负输入超轨 负输入轨 负输出轨 负电源轨 -VE 图7-1-1 双电源供电、单电源供电以及轨定义示意图
轨至轨特性，是单电源运放最为显著的特性。一般来说，号称单电源运放的，都具有轨至轨特性，而具有轨至轨特性的，一般都被冠以单电源运放的名称。特别的，输入共模电压能够包括负电源轨，是单电源运放的一个明显特征。
同时，多数单电源运放的最低工作电压也会较低。
7.1.3. 单电源运放电路的几种类型
所有以单一电源供电的放大电路，都可称为单电源运放电路。单电源运放电路一般分为三类：高质量的伪地型，交流耦合型，以及直接耦合型，各有不同的应用场合。
1） 伪地型
所谓的伪地型，核心是制作一个电池电压的1/2电位，称为伪地PGND（有人译为虚地，这易与运放虚短形成的虚地混淆，因为本文称为伪地）。在电路设计中，设定电池的正极为V+，将其接入运放的正电源输入脚，设定电池的负极为V-，将其接入运放的负电源输入脚，而设定PGND为电路的地，用于整个电路接地点。在这种情况下，任何双电源电路都可以不做任何修改，直接使用。以一个双电源有源滤波器为例，看电路如何在单电源下工作。
图7-1-2是一个标准的双电源供电放大器，正负电源各由一个电池产生。两个电池的中点作为整个电路的GND，信号输入和输出均以此为基准，特别是电阻R1需要接地。图7-1-3是单电源供电形成的伪地型放大器，将单节电池的正极接运放正电源脚，将电池负极接运放的负电源脚，此时如果有一个点处于电池的中心电位，就可以作为运放电路的“地”。剖开电池引出一根线是不明智的，用两个相等的电阻实现分压似乎可以形成这样的地。但是简单的
电阻分压形成的地，具有较大的输出电阻——分压电阻的1/2，需要一个能够提供大电流输出的运放进行低输出阻抗的驱动。于是经过图7-1-3左侧所示的运放驱动，就形成了PGND，即所谓的“伪地”。此时2.5V、PGND、-2.5V三根线就形成了一组双电源。后续的应用电路可以是教科书上提供的任何一个标准电路——比例器、微积分器、滤波器等等。
因此，使用伪地型电路，其核心是制作一个单电源中点的伪地。
5V
Ui GND -5V
R2 R1 -5V -2.5V
5V Uo RL PGND 2.5V Ui R2 R1 -2.5V 2.5V Uo RL 图7-1-2 双电源供电放大器 图7-1-3单电源供电形成的伪地型放大器
图7-1-4是AnalogDeviceInc.资料AN-581给出的伪地产生电路，电路中采用两个相等的电阻实现准确的分压。需要注意的是，产生伪地的运放必须具有几个特点，第一，它能够提供较大的输出电流，以提供给后级电路可能需要的电流支出。第二，它必须能够驱动足够大的电容负载，图中的C2C3以及后级电路的电源引脚的旁路电容，都是PGNG的电容负载。第三，最好，它的输入失调电压小一些，它的噪声小一些。OPA350是一个经常的选择。
单电源正 R1 220kΩ +V C4 0.1μF OPA350 C1 0.1μF 单电源负 R2 220kΩ PGND R3 110kΩ C5 0.1μF C3 1μF -V C1 2.2μF 单电源负 >80μA R3 110kΩ LM4040A25 C5 0.1μF C2 1μF 单电源正 R1 30kΩ +V C4 0.1μF OPA350 PGND C3 1μF -V C2 1μF 图7-1-4 电阻分压的伪地产生电路 图7-1-5 电压基准的伪地产生电路
在电池电压发生微弱变化时，这个电路没有保证PGND到-V保持2.5V的压差，而仅仅保证PGND处于+V和-V的中点电位。这样的设计，好处是PGND的中心性，但是在下例应用中，却不完美。
单电源放大电路之后可能会使用单电源ADC。很多单电源ADC都直接使用正5V电压作为整个芯片的唯一供电电源，因此，整个电路就被接成图7-1-6所示：正5V电源一方面直接给ADC供电，另一方面由电阻分压电路加驱动形成伪地，供单电源运放使用。注意，此时ADC看到的信号大小，都是以自身的GND为基准结合参考电压VREF进行度量的，或者说它的数字量输出000H是以输入电压等于GNDADC定义的。如果此时电源上出现了波动或者噪声大小为noise，则正电源电压为5V+noise，而伪地PGND电压为2.5V+0.5noise，即伪地已经不稳了，此时叠加在运放正输入端的信号变成了Ui+2.5V+0.5noise，放大器最终的输出应为PGND+AUi=2.5V+0.5noise+AUi，虽然它没有对输入的0.5noise进行放大，但是它叠加在PGND上，就导致其输出含有不稳的成分0.5noise。要实现精确测量，就必须保证电源5V足够稳定，这点对很多电源提出了太高的要求。
采用图7-1-5伪地产生电路的图7-1-7电路则可以避免这个问题。这个电路中，以电源
输入负极为基准，则伪地电位衡为2.5V，当电源正极存在波动时，不会影响到伪地与负极之间的压差。这样就可以利用运放较高的PSRR，使得运放在电源含义noise的情况下，输出几乎不含有noise。但是这个电路存在的问题是，当电源电压不等于5V时，伪地电位将不再处于运放正负电源管脚电位的中心，这会引起一定的共模输入。
5V+noise 5V+noise VDD Ui+2.5V+0.5noise Uo=2.5V+0.5noise+AUi 2.5V+0.5noise ADC Ui
0V R2 GNDADC 0V
R1 2.5V+0.5noise 图7-1-6 电阻分压式伪地在单电源ADC中存在的问题
5V+noise 5V+noise
Ui+2.5V Uo=2.5V+AUi 2.5VADC
Ui
0V R2
GNDADC 0V R1
图7-1-7 电压基准式伪地在单电源ADC中的使用
另外，德州仪器公司生产的一款专用伪地产生器TLE2425，也可以用于产生伪地。图7-1-7A是该芯片的封装。从外部特性看，这是一款类似于电压基准式伪地产生芯片——其输出2.5V相对于地是稳定的。
2） 交流耦合型
交流耦合型单电源电路，是指信号链中各级之间的耦合方式为交流耦合，包括输入信号
到第一级电路、各级电路之间，以及输出级与负载之间。交流耦合最为常见的方式为阻容耦合、变压器耦合。本节以阻容耦合为例。
图7-1-8是一个典型的单电源交流耦合型放大电路。
5V 2.2μF 30kΩ Ubias=2.5V C1 Ui A1 0V R1 R2 C2 R3 Uo1=2.5V+G1Ui A2 0V R4 5V Uo2=2.5V+G1G2Ui
图7-1-8 一个典型的交流耦合型二级放大电路
交流耦合型单电源电路与伪地型电路最大的区别有两点：第一，交流耦合型电路不再需要制作要求较高的伪地——大的输出驱动电流、可驱动较大的电容负载，因此结构更为简单。第二，交流耦合型电路无法满足低频或者直流放大。
交流耦合电路的设计核心有两点：第一，给各级电路提供合适的静态工作点。第二，用合适的方法将信号耦合到放大电路中。
图7-1-8中，A1实现的是反相放大，其增益G1=-R2/R1。A1的静态工作点由外部基准源提供，有些电路使用两个电阻分压实现，本文采用一个2.5V稳压管实现，这有助于降低电源纹波对信号的影响。由于A1正输入端不消耗电流，所以不需要增加额外的驱动跟随器。这样，在静态时，由于C1的隔直作用，A1成为一个跟随器，其输出端和负输入端都等于2.5V。在信号出现时，R1和C1组成的阻容耦合电路，会使R1上流过表征信号的交变电流，导致输出会在2.5V基础上出现反相的波动——实现了信号放大或者衰减。
A2组成的第二级电路是一个同相放大器，它的静态工作点来自第一级的静态输出2.5V，信号耦合是直接耦合。需要注意的是，电容C2在这里起到了关键的作用。如果把C2短接，A2组成的电路将对2.5V实施放大，在静态时就会产生输出饱和——比如R3=R4，运放为了维持虚短，输出将变成5V。而C2的存在，将使得静态量无法得到放大，运放A2的正输入端、负输入端、输出端在静态时均处于2.5V。对于第一级输出的交变信号，C2将被视为短路，A2电路表现出G2=1+R4/R3的增益。
在交流耦合型放大电路中，整个放大器表现为一个高通滤波器。图7-1-8中有两个一阶高通滤波环节：C1R1形成的fL1，C2R3形成的fL2，最终的高通下限截止频率由两个环节合并形成：当两者差别很大时，取较大的一个，否则利用公式计算。
fL1?1122，fL2?，fL?max(fL1,fL2)或fL?1.15fL1?fL2
2?R1C12?R3C2选择时间常数可以使得两个截止频率接近。
使用交流耦合放大电路，必须保证输入信号最小频率远远大于下限截止频率。
fmin?10fL
图7-1-8中，第一级为反相放大电路，其输入耦合电路较为简单。第二级利用了直接耦合，回避了同相输入的交流耦合问题。实际上，在交流耦合电路中，同相输入的耦合方法较为复杂。图7-1-9是一个较好的同相输入交流耦合电路，这里需要考虑的问题较多。