大家好，我們使用運(yùn)放的大多數(shù)情況都是以雙電源的方式供電，因?yàn)檫@樣就能夠擴(kuò)大輸入信號(hào)的電壓范圍，且輸入輸出信號(hào)能夠呈現(xiàn)正負(fù)對(duì)稱(chēng)的形式。但是，在一些特殊情況下若只能使用單電源供電，運(yùn)放電路該怎么設(shè)計(jì)呢?答案很簡(jiǎn)單，提供偏置電壓。

1偏置電壓

單電源供電提供偏置的方法可以分為交流耦合與直流耦合兩種。我們看看如何正確的選擇參考電壓，使得產(chǎn)生正確的輸出。分析參考電壓時(shí)主要用到疊加原理，將信號(hào)和參考看做兩個(gè)信號(hào)源，利用疊加原理將兩者經(jīng)過(guò)運(yùn)放后的結(jié)果相加。參考電壓的選擇主要考慮兩個(gè)因素：

1、使輸出信號(hào)的Vpp最大，充分利用運(yùn)放的輸出能力;

2、根據(jù)后級(jí)的直流電平要求來(lái)設(shè)計(jì)，確保本級(jí)的直流輸出能滿(mǎn)足后級(jí)輸入。

使Vpp最大時(shí)，參考電壓的選取跟運(yùn)放輸出范圍直接相關(guān)，由于運(yùn)放的輸出不都是軌到軌的，所以不能都按輸出直流在VCC/2來(lái)設(shè)定。應(yīng)該按照輸出直流分量在(Voutmax-Voutmin)/2位置來(lái)選擇參考的電壓，這樣才能保證輸出的Vpp最大。使本級(jí)的直流輸出能滿(mǎn)足后級(jí)輸入時(shí)，從要求的輸出直流分量反推出參考電壓即可。例如運(yùn)放作為ADC的輸入緩沖時(shí)，由于某些型號(hào)的ADC對(duì)輸入的共模電壓(直流分量)有要求(例如1.8V或者1.5V)，選擇參考電壓時(shí)就要使運(yùn)放的輸出直流分量滿(mǎn)足ADC的共模電壓。

使本級(jí)的直流輸出能滿(mǎn)足后級(jí)輸入時(shí)，從要求的輸出直流分量反推出參考電壓即可。例如運(yùn)放作為ADC的輸入緩沖時(shí)，由于某些型號(hào)的ADC對(duì)輸入的共模電壓(直流分量)有要求(例如1.8V或者1.5V)，選擇參考電壓時(shí)就要使運(yùn)放的輸出直流分量滿(mǎn)足ADC的共模電壓。

2直流耦合

我們先來(lái)看看在雙電源供電下的情況：

圖中可以看到當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，經(jīng)過(guò)反相放大，輸入輸出信號(hào)均以系統(tǒng)地0地位作為中心，正負(fù)半周進(jìn)行波動(dòng)。如果此時(shí)我們將上圖的雙電源的負(fù)電壓直接改成GND，輸入相同的信號(hào)，我們會(huì)看到如下圖所示的輸入輸出波形，可以看到由于只有正電源供電，輸出信號(hào)的負(fù)半周無(wú)法被輸出，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以在輸入端加入一定的直流偏置，從而將整個(gè)輸出電壓抬高。

根據(jù)電路設(shè)計(jì)和疊加定理，我們得到：

為了使輸出信號(hào)在VCC/2=2.5V上擺動(dòng)，可以求得VREF=1.25V。輸入輸出信號(hào)波形圖如下圖所示。經(jīng)過(guò)正確偏置的輸出信號(hào)能以2.5V為中心，從而得到了最大的輸出擺幅。

3交流耦合

當(dāng)放大倍數(shù)較大或呈小數(shù)時(shí)，Vref難以取整?；虍?dāng)輸入信號(hào)本身不是以GND為中心，而也帶有直流偏置的時(shí)候，計(jì)算也會(huì)變得復(fù)雜。此時(shí)，如果我們對(duì)信號(hào)的直流信息不感興趣，我們可以采用交流耦合的方式，更為簡(jiǎn)單的讓輸出在準(zhǔn)確的VCC/2上擺動(dòng)。

交流耦合方式通過(guò)在信號(hào)輸入端加入耦合電容，形成一個(gè)高通濾波器，隔離直流信號(hào)，僅對(duì)交流信號(hào)起到放大作用。如下圖顯示了該電路的頻響特性，可以看到當(dāng)輸入信號(hào)頻率超過(guò)100Hz后，C1可以視為完全短路，此時(shí)交流信號(hào)的增益為G=0db。

為了讓放大器的輸出以VCC/2為中心，我們考察反相端的Vref對(duì)輸出的貢獻(xiàn)。

取Vref=2.5V，得到如下圖的輸入輸出結(jié)果：

采用交流耦合時(shí)，無(wú)論Vin中是否帶有直流分量VDC,交流耦合放大器會(huì)阻止VDC，而只放大交流信號(hào)，如下式所：

比如我們?cè)?a target="_blank">仿真中設(shè)定Vin=0.5V+Vxfg1，可以得到如下的輸入輸出結(jié)果：

可以看到雖然信號(hào)(下方波形)的直流分量增加，由于C1的AC耦合，不影響輸出的直流。