OP放大器应用技巧100例
第1节 单电源OP放大器
更新于2008-08-28 20:19:42

11.如何使用单电源OP放大器

如果考虑用电池或数字电路的电源+5V来供电, 则OP放大器必须使用单电源。可是, 多数OP放大器的电源为±12V或±15V。如图21所示, OP放大器应满足两个单电源工作条件, 即可以0V输入与输出。
通常模拟电路均以地 (即零电位)为基准(也称为信号公共点), 由于输入为0V时输出电压也为0V, 故0V输入和0V输出是必要条件。


图2.1单电源工作的OP放大器


从前, 为了使OP放大器降低成本, DC特性和AC特性都不是很好。但是, 最近的单电源OP放大器的DC特性和AC特性都得以改善。各种各样的高精度型, 高速度型等都已在市场上贩卖。另外, 稳定性也有所改善而且不易引起振荡, 使用也方便多了。故从使用更方便的角度考虑, 可以采用以下两点:
① 扩大输入电压范围(共模输入);
② 扩大输出电压范围(共模输出)。
所谓共模, 如图2.2所示, 一看就明白了。


图2.2共模工作原理


12.通用OP放大器不能在单电源下工作吗

工通用OP放大器在单电源下怎样工作呢?图2.3(a)给出通用OP放大器使用工作电源为+5V的电路。该电路的输入电压VIN=0~5V。图2.3(b)是使用通用OP放大器AD711D时的输入输出波形。在理想状态下, 输入电压VIN在0~5V之间时,输出电压VOUT也为0~5V。图(b)所示, VIN=1.5~4.2V的范围时, 作为缓冲器来说勉强地达到要求。但是, 当VIN为1.5V以下时, 输出电压VOUT电平将跳跃到正相饱和电压。这种现象被称为输出跳跃现象。由于输出不是单调性, 所以, 应用就成了问题。


图2.3使用普通的+5V单电源的OP放大器


在以下情况:
① 不能0V输入。
② 不能0V输出(1.5V以下时输出电平为不稳定)。
通用OP放大器(如AD711)不能使用单电源。要是必须使用单电源的话, 就得使用专门设计的单电源OP放大器。当然, 并非所有的通用OP放大器的输出都有跳跃现象。
要想更好地使用通用OP放大器,只要很好地回避上述①、②两个条件,就可以在单电源下工作。
在单电源下使用通用OP放大器的代表例, 如图2.4所示。对于通用OP放大器来说, VCC=+12V, VEE=0V是可以使用的。但是, 0V输入/0V输出是不可能的, 在图2.4的正相输入端加入VCC/2=6V的偏置电压, 这样OP放大器的电源相当于±6V。


图2.4在单电源下使用通用OP放大器的AC(音频)放大器


音频放大器的输出端与电容相连接, 0V中心信号VIN与VCC/2的偏置电压共同作用在OP放大器上, 从而实现了单电源供电的音频放大器。
使用单电源的通用OP放大器必须要认真思考。如后所述, 若与差动OP放大器巧妙结合, DC电路的使用就成为可能。


13.通用OP放大器与单电源OP放大器在结构上的差异

以前, 一提到单电源OP放大器,就会想到LM324(内含4个运放, LM358内含2个运放)。LM324是非常普通的OP放大器, 虽也有缺点但很便宜, 就是在现在也有很多地方使用它。该OP放大器有以下特点:
① 可以0V输入(输入电压范围0~VCC-1.5V)。
② 可以0V输出(输出电压范围0~VCC-1.5V)。
满足单电源的0V输入、 0V输出的条件那么, LM324是怎样实现这些特性的呢?
图2.5为LM324的等价电路, 图(a)为输入电路, 输入部分由PNP晶体管组成差动放大器电路, 对于双电源OP放大器的差动输入部分用NPN晶体管是很普遍的。可是, 这里(使用单电源供电)0V输入时则不能用NPN晶体管作为开关管, 而只能用PNP晶体管。


图2.5LM324的输入输出等价电路


反之, 当输入电压接近正电源电压时, PNP晶体管切断电源, LM324只能工作于输入电压小于VCC-1.5V的情况。
图(b)为输出电路。为一般的互补型射极跟随器, 晶体管Q7, Q8和Q11的基极连接。负载与地连接时, 输出电压下降, 晶体管Q11截止, 输出部分变为Q8的射极跟随器。因此, 0V输出也就变成可能,电源也可输出大电流。
Q11吸收电流时还没工作, 就有最大电流50μA通过。所以, 在Q11的工作点上会发生失真。另外, 因为Q7, Q8的基极与发射极之间的电压降低, 所以LM324的输出电压范围变为0~VCC-1.5V。


14.共模输入输出的OP放大器是如何构成的

LM324的输入输出电压范围比电源电压要窄1.5V左右。但是, 最近的单电源OP放大器中共模输出的OP放大器不断增加。所谓共模工作就是输出电压范围与电源电压相同, 如图2.2所示,它们是如何工作的呢?
具有代表性的共模输入输出的OP放大器OP279的等价电路如图2.6所示。图2.6(a)为输入部分, 由PNP三极管Q5, Q6和NPN三极管Q1, Q9组成两组差动放大器。这两组三极管根据输入电压电平的不同而相互切换, 从而, 使得输入电压等于电源电压(即共模输入)。


图2.6OP279的输入输出的等价电路


由于这种特殊的电路构成, 输入的偏置电流或补偿电压在工作的转换前后, 其方向或数值是不同的。通常, 通过设定参数来消除其影响, 并选择适当的OP放大器, 因此是不会有什么问题的。
图2.6(b)为OP279输出部分, 与LM324不同, 变为Q15, Q16的共集电极输出。又由于一般的晶体管的饱和电源电压接近50mV, 电源电压输出成为可能(即共模输出)。但由于是集电极输出, 故其输出部分的增益保持不变。
根据这种构成, 由于负载电阻值的不同而使OP放大器的开环增益有所不同, 实际上, 使用负反馈回路是没有问题的。如果发生问题应是电路的稳定性问题, 可以通过相位补偿来解决。


15.保证输出电平不跳跃的单电源OP放大器

在使用各种单电源OP放大器时,会有输入电压超出允许范围, 输出电压发生急剧变化的情况,这被称为输出相位反转现象或跳跃现象。发生输出电压的跳跃现象破坏了单调性, 是不好的,应用时会受到致命的损坏。
表2.4所示的OP放大器, 可以保证输入电压在工作电源电压范围内, 不会发生跳跃现象。例如, AD820A的输入电压范围为-0.2~4V(+5V工作时), 即使5V输入, 没有超过电源电压范围, 其相位也不会发生反转。当然, 输入电压超过电源电压时就不能保证了。对于过大的输入, 请按图2.7的保护电路来设计。
表2.4主要的OP放大器的输入输出的电压范围(模拟器件公司的情况)(+V=5V, -V=0V)
型号               输入电压范围/V          输出电压范围/V         相位有无反转
AD820A              -0.2~4                        共模                            无
OP113                  0~4                          0~4                            无
OP183                  0~3.5                       0~4.2                        无
OP191                   共模                           共模                            无
OP193                  0~4                           0~4.4                        无
OP279                    共模                           共模                           无
OP284                    共模                          共模                            无
通常的OP放大器能耐数毫安的输入电流, 图2.7(a)根据输入电压大小选择RP的值。RP越大保护效果越好, 同时, 因工作电压和电阻而引起的噪声会使频率特性变坏, 可根据应用情况来确定电阻值的大小。
图2.7(b)除了电阻还增加了二极管, 这样一来,OP放大器的过大输入电压就会受到二极管的正相电压0.7V所抑制, 这是最常用的方法。


图2.7OP放大器的输入保护

 

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