单电源运放简析

1、专业：电气工程及其自动化刖广，律实验报告姓名：郭家劲、杨罡学号：3130104021日期：2014年6月23日桌号：课程名称：电子与电路技术指导老师：祁才君成绩:实验名称：单电源运放的使用实验类型:同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得讨论专题单电源运放的使用我们学习中常见的运算放大器的应用都是基于双电源运放而设计的，但在实际应用中，许多场合下单电源运放的应用更为普遍。与双电源运放相比，单电源运放不仅可以单电源供电，而且也可以双电源供电，两种供电方式之间存在一

2、定的转化关系。研究单电源运放的原理和基本使用方法，这样我们就可以将基于双电源运放而设计的电路使用单电源运放实现。这将简化设计过程，扩展运放的使用。一、单电源运放的原理和基本使用方法1、基本原理（以通用运放LM358为例）差州人手1HAtt出事1LM35E内寺电路原理图Page.2图3双潴费加Vh/2偏置电压的电事原理明由图3(a),(b)可分别得到输出电压表达式：%=与十(】十普产从上述的两个表达式分析可得出，偏置电压Vcc/2没有被放大，而信号Vs能获得足够的放大倍数，无论输入信号是从同相端接入还是从反向端接入都可以获得不失真的波形；但是此时输出电压包含Vcc/2的直流分量，可以通过在输出端

3、加隔直电容C滤除直流偏压，进而得到只放大Vs的输出信号。2、基本设计思路：为使电路能对交流信号放大而不失真，单电源供电的运放两输入端和输出端静态电压不能为0,必须大于输出交流信号幅值，一般取电源电压Vcc值的一半。采用单电源对集成运放供电的常用设计方法是在双电源供电原理图的基础上改进，把集成运放两输入端电位同时抬高(通常抬高至电源电压的一半，即Vcc/2),抬高后的这个电位就相当于双电源供电时的“地”电位(一般称为“虚地”)，因此在静态工作时，输出端的电位也将等于两输入端的静态电位Vcc/2。3、单电源运放的偏置方法(1)电阻分压法如图(a)所示，这是一种最常用的偏置方法。通过用2个100k的

4、电阻R1、R2组成分压网络，形成Vcc/2的偏置电压，该方法不仅简单而且成本低。但是当偏置电压源的输出阻抗大时，输出电流的变化对偏置电压精度的影响很大。因此电阻分压法一般适用于偏置电压精度要求不高的场合。伍)电网分压法电路图(2)运放电压跟随器法Page.3（3）射级电压跟随器法原理图如图（b）所示，图中Vcc被R1、R2分压后接到由单电源运放组成的电压跟随器，进而形成Vcc/2的偏置电压源。该电路具有很高的输入阻抗与很低的输出阻抗。这样运放的输出端可以看作一个Vcc/2的恒压源，输出电流的变化对偏置电压几乎没有影响，因此获得精确的偏置电压。但是由于增加了一个单电源运放，这种方法的成本比较高。

5、原理图如图（c）所示。该方法与运放电压跟随器法相似，但是这里采用三极管Q组成的射极电压跟随器作为电阻分压的输出级。射级电压跟随器同样具有输入阻抗高、输出阻抗低的特性，因此该方法也可以避免电阻分压法中输出阻抗高的不足。并且由于只增加了1个三极管，成本也比运放电压跟随器法低。但是根据偏置电压计算得到的电阻值经常需要结合实际电阻值选择，因此偏置电往往压存在误差。二、单电源反相放大、同相放大和差分放大电路设计和仿真分析基本设计原理图：反向和同向放大电路V"Gflln*RZrRIRJeR1|R/fareIeeue*rT<wdu«toknpiilwcurrtnlMONINVERT

6、INGGM=1*R2WInpintimpeMriBMR1|R23tl时祈duegirpotbutcurfftirrtCfcir差分放大电路Page.4ForA1=RIandR2=R4:Vouf=fRURlXVhl-Vlnl)电=崛*lorrrHnknumwrordgtoinputbullcurrentWOJ*v«O51阳*PX.>-+m的3TZV"4<(uVCCtl0"-I1、单电源反相放大电路设计仿真电路图：VCC-1flVVCC示波器观察"Oscilloscope-XSCIPage.5瞬态扫描TransientAnalysisV(7)V(

7、5-V(4)k1o.oaoo0.0000yi,oDoa0,0000x2o.oooa0,0000W0.00000.0000dx.o.oaoo0.0000dy0.00000.00001/dx1/dy3QXO.Q0QO0.0000maxk1.0000ma,0000rumin丫-tn3737Tas.53月制HLaxy5.Q2S8335,9390offsenxa,oaoa0.0000offsety0.00000.0000直流工作点分析Circuit1DCOperatingPointDCOperatingPoint-至S.00152:v(5)4.99957卜5,00365-V(6)5,001525V(4)

8、4,999576V(l)4.99762v(mx)10.000003T(ccv«)50,02377u三Kvl)-4.93957p：0丫0,00000交流扫描Page.6ACAnlysis-k1yix2y2dxW1/d.x1/dyannxiraxxmin.itir.ax丫offsetxoffset.y1.0000313.5375rn1.0000313.537£m0.00000,00001.000010,000001.2479m4.99960.00000.0000V(7)zlyix2第2dx.1/dx1/dy3GXIE3KXmin.yeax¥offsetxoffset.

9、y1.0000-93.59551.0000-93.53E50.00000.00001.0000ao.ooooG-179»9705179.7C930.00000.0000Page.72、单电源同相放大电路设计仿真电路图：示波器观察:bOscillc&cope-XSCI瞬态扫描:Page.8TransientAnalysis0250注500g乃如linTine(S)TransientAnalysisHVt8)-V(2)Y(6)xlIO.OOQO0.0000yi0.00000,0000x20.OQOO0,0000o.ooao0.0000dxo.oaoo0.0000时0.00000.

10、00001/dx1/dymin.x0.00000.0000maxki,oaaonia.OOOOnminyT孙339m'5H9339ulsky939.9349m5.933Soffsenx0.00000.0000offsety0.00000.0000直流工作点分析:Circuit1DCOperatingPointDCOperatingPointV(8)V(2)V(5)V(3)V(6)VH)V(l)V(vcc)I(otvoc)Kvl)4.999274.999273.95095k-23.72924k0,0000。-3.95071k4.9976210,00000-50.02375uT,99927

11、p交流扫描:Page.9ACAnalysisFrequency(Hz)ACAnzlysisV(6)k!yix2第2dx.1/dx1/dy3拉XIE3KXminyir.axyoffsetxoffset.y1.00005.999C1.00005.95960.00000-00001.0000la.ooocs99.5B3u5.99960.00000.0000V(6)k1yix2第2dx.1/dx1/dy3拉XIE3KXminyir.ax¥offsetxoffset.y1.0000-225.3355P1.0000-225.g35sli0.00000,00001.000010.0000G-39.

12、9322-225.935SH0.00000.0000Page.103、单电源差分放大电路设计仿真电路图：R1lOOkQ示波器观察:bOscillc&cope-XSCI瞬态扫描:Page.11TmnsifntAnalysisVtlO)V(9)-V(8)X10.00000.00000.00000.0000o.ooao0.0000o.ooac0.0000O.OOQ0a,oodo0,0000o.oooq1/dx1，皿minxQ.QQQQ0.0000maxx1.OOOOti1.0000mmlny-5.02SS-9S9.9349icmaxye?a?9E9.5349inoffsetx0.00000.

13、0000offsety0,00000.0000直流工作点分析.ACAndfscs|TrarsientAnaljraisFourterAnayssDC0*'二Analysis|Tranaient|DCSA'ecp|DC51:|卜CircuitlDCOperatingPointDCOoffalingPort1依*9划52_V(54.99加2_|45J0QH74怖4.997205V(l4.9762«喊亚心10.000M7IgG-50.02377u$99957P9VCT4.弼1510V(SJ4.99957iilvdJ)49995712V(9J4.9995713V(10)0.0

14、0000ivlv2)上.99957P交流扫描ACAnalysisPage.121J1JI-lomlfn叫MlpMnlon11ACAnalysisV(10)装订线max.xnunymaxyoffset.xoffsety1.000014.7E20n1.000014.7a20n0.00G0o.oooai.ooaa10.000GG14.7S20n1.249m0.00G00.0000Frequency(Hz)V(101X1140000yi-116.0516x21.0000¥之-iie.osiedx0,00000,00001/dx1/dyminx140000rtaxxlO.OODOGnLLny一

15、工76144gmaxy172,0490offsetX0,0000offsety0,0000Page.134、双电源反相放大电路设计仿真电路图：XSC1_L示波器观察瞬态扫描Page.14TransientAnalysisTransientAnalysisV(6)V7)X10.0000o-goqo0.00000.0000K之0.00000.0000了0.0000O.GOOOdx0.00000.00000.00000.00001/dx1/dy3cx040000O.OOQOrtaxx1.0000m1.OQOOmminyT94.9:02Em7.4323maxy434.SE26in2.5070offse

16、t0.00000.0000offsety0.00000.0000直流工作点CircuitLDCOperaungPointDCOperathgP-aint1用L99996mjVO-5,CCC0Cil.gg&rr41向0.00000与0.00000?DOOOQO5昭君SMCBp虹呻5.OHM)1&30-S.OOCOCr交流扫描ACAnalysisV(7)Page.15订线xlyi建dxdy1/dx1/dyHimxmaxxmj.nymaxyoffsetxEfaety1.oooa313.537Bm1.0000313_537Smo.oooc0,00001.0000lO-OOOOGl-24

17、95in3.99960.00000,0000XV7xl1.0000yi-9345955x21*0000y2-93.5955dx0.0000dy0.00001/dx1/dymxnx1.0000maxx10.0000Gminy-179.9711maxy179,7691offsetX0,0000口f匕y0.0000Page.165、双电源同向放大电路设计仿真电路图：示波器观察WOscilIoscope-XSC1瞬态扫描Page.17TransientAnalysisQV(6)V(7)X1O.OODO0.0000yl0,00000,0000Q,OQOO0.00000.00000,0000dK0.000

18、00-0000dy0.00000.00。口i/dxIfdyrain*0.00000,0000maxx1.0000m1.OOOOnimin£-94.9675m-2.9570ntaxy4白q.g67Sm2.9669offsetx0,00000,0000offsetyQ.OQOO0»OQOO直流工作点Circuit1DCOperatingPoint交流扫描ACAihIjnaACAnalysisV(7)Page.181.00005.999C1.00005.95960.00000-0000iun.XIE3KXminyir.axyoffsetxoffset.y1.0000la.oooc

19、s99.5B2u5.99960.00000.0000V(7)Klyix2第2dx.1/dx1/dyILJ力.X1.0000-225.0077P1.0000-226.0077p0.00000,0000minyir.axyoffsetxoffset.y1.000010.0000G-39.9321-226.0077H0.00000.0000Page.196、双电源差分放大电路设计仿真电路图：M义1ASOIcll示波器观察*Oscillc&cope-XSCI瞬态扫描Page.20TransientAnalysisaV(10>V(9)-V(6)Xi0.00000.00000,00000.0

20、0000.00000.0000丫工o.oaoo0.0000dx0.0000O.GOQOdy0.00000.00001/dx1/dyrain2C0.00000.0000maxx1.QOOOir1*QODQmminy-2.953-91*OlLOmrtaxy2.4207491.0110mcffsetka.oooo0.0000offsety0,0000o.oaoo直流工作点Circuit1DCOperatingPointDCOperstingPointiV(2)'37&r01742U二v-5.000团mV(3)-375Q1742U斗V(6)0.000005V(l)1.7493ttiIS

21、)0,000007V(7)-Z37900m3：?.2)-5.0ODCOp网5.QOOOOuIM*5.00000piivD.000002Y网-2.37500m，V(IO)0.0000014IMD.QQOOOPage.21交流扫描ACAmIiptACAnalysisV(10dxdv二，dxIfdyminkrr&xxminyrtaxyoffsetkoffsevy1,D00Q10.42G9n1.000010.4263n0.00000.00001.00001Q.OOOQG10,42ftSn1.2484rt0.00000.O00QI餐V(1D)dx31/dK1/dyminxmaxxminymaxy

22、officexoffsety1.0000-120,80671.0000-12O.aoe?0,00000.00001.000010.0000G-163.8337179.37990.00000.00007、总结：仿真结果证明，本实验中单电源运放电路可以基本达到与双电源运放电路相同的放大效果，证明单电源运放电路的供电方式符合题目设计要求。需注意的是，仿真实验的偏置方法皆为运放跟随器法。Page.22三、单电源运放与双电源运放的使用区别1、单电源工作下需要考虑的实际问题：(1)在单电源应用中，对放大器性能的最直接影响是输入和输出信号范围会缩小；(2)由于输入和输出信号的偏移度更小，放大器电路对内部和外

23、部误差源变得更敏感；(3)在某些低压单电源器件中，增益精度也会降低，因此需要仔细考虑器件选型。(4)输入输出时必须使用隔直电容。2、适用场合：在某些场合(如手持式设备供电)只能使用单电源运放。当对放大精度和稳定性要求很高的场合，最好使用双电源方式，但不绝对，运放供电方式的选择视实际情况而定。在实际应用中，单电源运放可直接使用双电源供电；单电源运放也可使用单电源供电模式，但要设置偏置(虚地)。这会在后面的对比中详细叙述。3、电压范围运放的输出电压范围肯定要小于它的工作电源电压范围，例如工作在单正电源下的运放其输出电压只能在正电压范围内而且最地输出电压高与0V,最高输出电压低于电源电压。而工作在正

24、负双电源下的运放其输出电压就可以跨越正负电压。通常一个运放既可以在单电源下工作也可以在双电源下工作，但是工作在双电源下时其电源电压范围要小于单电源的范围。例如LM358在单正电源工作时的最高电源电压为30V,而在对称双电源下工作时的最大正负电源电压为+15V和-15V,当然它也可以在不对称双电源下工作，此时的最大正负电源电压差为30V。4、对供电条件的要求在运放的datasheet上，如果电源电压写的是(+3V+30V)/(±1.5V±15V)如324,则这个运放就是单电源运放，既能够单电源供电，也能够双电源供电；如果电源电压是(土1.5V-±15V)如741,则

25、这个运放就是双电源运放，仅能采用双电源供电。下面就来分析要放大不同类型的信号，单电源运放和双电源运放对于供电系统的要求：(1)对于直流信号的放大采用单电源运放进行放大：单电源供电和双电源供电都可以正常完成放大工作；采用双电源运放进行放大：最好选择正负双电源供电，否则输入信号幅度较小时，可能无法正常工作；(2)对于交流信号的放大采用单电源运放进行放大：可以运用双电源供电完成工作，如采用单电源供电则须添加个偏置，即“虚地”。而偏置的结果是把供电所采用的单电源相对的变成“双电源”，不然，将会丢失负半周期的输出信号；采用双电源运放进行放大：可以运用双电源供电完成工作。不能采用单电源供电，由datasheet知，对双电源运放采用单电源供电放大交流信号不满足工作条件一一将会不能正常工作。可见单电源运放既能够单电源供电，也能够双电源供电，能完成多种不同要求的信号在不同供电系统中的放大要求。适用范围更广。四、心得和体会单电源运放在放大原理上