運算放大器單電源設計

運算放大器的供電存在兩種形式，單電源供電以及雙電源供電。在運放電源的設計中普遍采用雙電源供電的方式，例如儀表運算放大器INA129的供電電壓范圍根據芯片手冊可以得知為±2.25-±18V，同時其可以采取4.5-36V的單電源的供電方案。在真實的設計案例時，往往得到負電源是較為困難的，因此采用單電源供電的方式可以一定程度的減輕設計難度。

明確單電源設計的方法，首先需要明確一個物理學概念。電壓——即電勢差，是一個相對值，基于參考點得到的一個數值，通常我們常常取大地所處的電平作為零電勢點。我們觀察INA129的單雙電源供電范圍不難發現，單電源供電就是雙電源供電兩個供電引腳間的電勢差。換個說法，單電源供電就是在雙電源供電的基礎上將供電范圍抬升了1/2電勢差。當我們采用雙電源給INA129運算放大器供電的時候，給信號輸入端給定一個正弦信號，其輸出擺幅圍繞在0電勢點處，也就是通常所說的“地”附近。從前文我們可知單電源供電就是在雙電源供電的基礎上，整體抬升了1/2電勢差，因此我們可以認為當輸入一個正弦信號后，運放的輸出信號將在1/2電勢差處做正弦擺動。參考“地”電平這一概念，通常可以將這個1/2電勢差叫做“虛地”。因此單電源供電的原理就是基于電勢差這一物理學概念，在具體的設計中我們只需要將原本的地電平換做“虛地”。

明確了單電源供電的原理，如何真正的將其應用到實際電路中去。通常我們運算放大器的輸入信號是基于“地”電平給定的參考，在單電源的設計中我們的輸出信號將以“虛地”作為參考電平，因此在信號輸入運算放大器之前，需要將信號變換到“虛地”上去。在實際的設計中，針對輸入信號的不同，我們將這個信號變換過程分為“直流耦合”及“交流耦合”。

在直流耦合中，我們知道耦合地可以簡單的認為將輸入信號做了一個電平抬升，因此在這里我們采取加法器的設計，通過加法器將直流信號抬升至“虛地”電平。

在圖片中我們可以看到我們的供電電壓為5V，因此我們的虛地電平在2.5V，因此當運放不存在輸入信號時，運放的輸入引腳將存在一個2.5V的電平。由于加法器的特性，加法器的輸出等于兩個輸入之和的一半，因此按照這種說法，我們的耦合電壓應該為5V。而這里采取的卻是4.9V?不禁引起疑問。在上文中我們提到了在單電源供電方案中運放的輸出信號將圍繞著虛地擺動，因此為了充分的放大前級的輸出信號范圍，根據前級輸出信號的中值我們來做加法器計算。也就是說當前級信號中值輸入運放時，運放的輸出信號就是“虛地”，當輸入信號沒有達到中值則輸出信號將小于“虛地”反之則大于“虛地”，近似的模擬出了一個類似于交變電流信號信號變換的過程。在這里選定的信號中值是0.1V，也就不難算出耦合電壓為4.9V。注意在實際的電路中，如果存在多個信道，不同的信道將存在不同的耦合電壓，因此在這里的設計過程中我們一半就采用運放的供電電壓作為耦合電壓，那虛擬電平將是(5+0.1)/2=2.55V，會一定程度上喪失運放精度范圍，但是同較少的設計復雜程度這種損失我們通常可以忽略不計。

在交流耦合時，處理過程同直流耦合相類似，但更為簡單只需要將“虛地”直接耦合進輸入信號即好，實際電路如下圖。

交流耦合需要注意的一點就是當存在多級信號時，在多級之間的耦合是需要考慮采用交流耦合的方式，否則抬升的地電平將被放大引起較大的直流偏移。解決方法很簡單，在級聯的過程中串接電容即可將地電平濾除掉。