### 单电源运放详解 #### 1. 引言 单电源运算放大器（简称“运放”）因其灵活性和高效性，在许多现代电子设备中得到广泛应用。本文旨在详细介绍单电源运放的工作原理及其应用，帮助读者更好地理解和掌握单电源运放的设计要点。 #### 2. 单电源与双电源供电 ##### 2.1 电源供电概述 运算放大器（简称“运放”）是一种高度灵活的电子元件，广泛应用于信号处理、滤波以及其他各种模拟电路中。运放通常有两种供电方式：双电源供电和单电源供电。 - **双电源供电**：通常采用一个正电源和一个负电源，如±15V、±12V或±5V。输入和输出电压均相对于地（GND）给出，包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。 - **单电源供电**：运放仅由单一正电源和地供电，例如+5V或+3V。单电源供电模式下的运放设计需要特别小心，以确保电路的稳定性和性能。 ##### 2.2 单电源供电特点 在单电源供电模式下，运放的正电源引脚连接至VCC+，而地或VCC-引脚连接到GND。为了使运放能够正确工作，通常需要提供一个“虚地”作为参考点，其电压为VCC/2。此时，运放的输出电压相对于虚地摆动。 值得注意的是，一些现代运放具有两个不同的最高输出电压和最低输出电压，即Voh（输出高电平）和Vol（输出低电平）。这些参数对于确定运放的输出摆动范围至关重要。 #### 3. 虚地的实现 在单电源供电模式下，虚地（虚拟接地）是一个关键概念。虚地通常是电源电压的一半（VCC/2），用作输入和输出信号的参考点。虚地可以通过简单的分压电路实现： - 使用两个等值电阻R1和R2构成分压电路，其中R1连接VCC，R2接地，两电阻中间节点即为虚地。 - 在某些情况下，为了进一步减少来自电源的噪声，可以在虚地节点上并联一个低通滤波电容C1。 需要注意的是，这种简单的分压电路会降低系统的低频特性，因此在设计时需要权衡性能需求与电路复杂度。 #### 4. 交流耦合的重要性 在单电源供电模式下，由于输入和输出信号通常是相对于实际地（GND）而非虚地给出的，因此需要通过交流耦合（使用耦合电容）来隔离信号源和运放之间的直流电压差。 - **交流耦合**：通过在信号源与运放输入之间添加耦合电容，可以消除直流偏移，确保运放能够正确响应输入信号。 - **特殊情况下的耦合电容省略**：在某些特定情况下，如果两个连续级的运放都参考虚地并且没有增益，则可以考虑不使用耦合电容。然而，这种做法并不总是安全的，因此建议始终使用耦合电容，除非有充分的理由证明不需要。 #### 5. 设计注意事项 在设计单电源运放电路时，需要注意以下几点： - **选择合适的运放**：确保所选运放能够在指定的电源电压范围内工作，并且支持Rail-to-Rail输入和输出，以充分利用电源范围。 - **虚地的选择**：合理选择分压电阻的阻值，以满足电路的需求并减少噪声影响。 - **交流耦合的设计**：合理选择耦合电容的容量，确保电路在不同频率下的性能。 - **测试与验证**：在实际应用之前进行充分的测试和验证，确保电路性能符合预期。 #### 结论 单电源运放的设计相较于双电源供电更为复杂，但其灵活性和效率使其成为现代电子设备中不可或缺的一部分。通过深入了解单电源供电的特点和设计技巧，设计师可以更有效地利用单电源运放的优势，提高电子产品的性能和可靠性。

我们在这里所谈论的 “未使用的运放” 不是指在芯片储藏箱或防静电袋中的运放；而是指在同一个封装里面的多个运放中未被使用的部分。 　　近论坛中的一个提问促使我来研究这个问题，在处理这个问题时，我无意中看到一篇由我同事Todd Toporski发表的好文章。他非常出色地概括了关于这个问题的几个重要方面及其原因。这里，我总结一下并加入了一些自己的想法。 　　将未使用的运放连接为一个带反馈回路的放大电路。显而易见，单位增益缓冲电路是个很好的选择，因为它不需要额外的器件。然后，将输入引脚连接到线性输入输出范围以内的电压上。任何引起潜在的输入、输出过载的连接或开路，以及将运放放置在一个噪声不确定的

调幅（AM）信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调，这种方法又称包络检波。普通调幅（AM）信号通过精密全波整流电路进行全波整流，然后经低通滤波器取出低频成分，经过信号放大，从而获得解调信号。

1、设计要求 使用555时基电路产生频率为20kHz~50kHz的方波I作为信号源；利用此方波I，可在四个通道输出4中波形：每个通道输出方波II、三角波、正弦波I、正弦波II中的一种波形，每个通道输出的负载电阻均为600欧姆。 2、五种波形的设计要求 （1）使用555时基电路产生频率20kHz~50kHz连续可调，输出电压幅度为1V的方波I； （2）使用数字电路74LS74，产生频率5kHz~10kHz连续可调，输出电压幅度为1V的方波II； （3）使用数字电路74LS74，产生频率5kHz~10kHz连续可调，输出电压幅度为3V的三角波； （4）产生输出频率为20kHz~30kHz连续可调，输出电压幅度为3V的正弦波I； （5）产生输出频率为250kHz，输出电压幅度峰峰值为8V的正弦波II； 方波、三角波和正弦波的波形应无明显失真（使用示波器测量时）。频率误差不大于5%；通带内输出电压幅度峰峰值不大于5%。 3、电源只能选用+10V单电源，由稳压电源供给。 4、要求预留方波1、方波II、三角波、正弦波I、正弦波II和电源测试端子。

【恒流源电路详解】 恒流源是一种能够保持输出电流恒定，不随负载或电源电压变化而改变的电路。在电子设计中，恒流源广泛应用于LED驱动、传感器供电、精密电流基准等方面，其稳定性和精度对于系统性能至关重要。本篇文章将详细探讨一种由运算放大器（运放）和MOSFET组成的恒流源电路，以及其工作原理和应用。 一、电路组成 运放+MOSFET的恒流源电路通常由以下几个部分构成： 1. 运算放大器：运放作为反馈控制的核心元件，能够比较输入电压并调整输出，以实现电流的精确控制。 2. MOSFET：MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）用作电流控制开关，其栅极电压决定了漏极电流的大小。 3. 反馈电阻：连接在MOSFET的源极和运放的反相输入端，用于将输出电流转换为电压，提供反馈信号。 4. 参考电压源：提供一个稳定的电压，与反馈电压进行比较，决定MOSFET的栅极电压。 二、工作原理 1. 当MOSFET的栅极电压高于源极电压时，MOSFET导通，漏极电流ID与VGS（栅极-源极电压）和沟道电阻RDS(on)成正比，即ID = K * (VGS - VTH) * sqrt(VDS)，其中K是沟道常数，VTH是阈值电压，VDS是漏极-源极电压。 2. 运放工作在负反馈状态，其反相输入端（通过反馈电阻）的电压与同相输入端（参考电压源）的电压保持一致。因此，当漏极电流增大时，反馈电压也增大，运放将降低其输出电压，减小MOSFET的栅极电压，从而限制漏极电流的增加。 3. 相反，如果漏极电流减小，运放的输出电压上升，增加MOSFET的栅极电压，漏极电流也随之增加，形成闭环控制，确保电流恒定。 三、设计要点 1. 选择合适的运放：运放应具有低输入偏置电流、高开环增益和足够高的带宽，以确保电流控制的精度和快速响应。 2. MOSFET的选择：MOSFET应具有低阈值电压和低RDS(on)，以减少静态功耗和提高电流控制的线性度。 3. 反馈电阻的计算：反馈电阻值Rf需根据所需恒定电流Iset和参考电压Vref来确定，Rf = Vref / Iset。 4. 静态偏置：通常需要一个偏置电阻Rbias来设置MOSFET的初始栅极电压，确保在电源启动时MOSFET处于导通状态。 四、应用实例 这种恒流源电路在LED驱动电路中非常常见，因为LED的亮度与其电流直接相关。通过调整电路参数，可以确保每个LED都获得恒定的电流，从而保持亮度一致。此外，它还可用于精密测量设备中的电流源，提供稳定可靠的电流基准。 总结，运放+MOSFET的恒流源电路通过负反馈机制实现了电流的精确控制。理解其工作原理和设计要点对于电子工程师来说至关重要，可以为各种应用场景提供稳定、可调节的电流源。深入研究"Voltage-to-current (V-I) converter circuit with MOSFET.pdf"文档，将有助于进一步掌握此类电路的设计与优化。

Howland电流泵是一种由麻省理工学院的Brad Howland发明的运算放大器（OPA）电流源，它在电路设计中具有重要的应用。这个电路利用运放的特性，能够提供一个独立于负载电阻的恒定电流输出。对于不熟悉电子工程的人来说，理解这种电流源可能有些困难，但通过逐步解析其基本原理，我们可以更好地了解它的工作机制。 我们从简单的电流镜电路开始。电流镜是一种常见的电路结构，它可以复制电流，其中一个支路的电流与另一个支路的电流保持一致。在运放电流镜中，运放的反相输入（-）和同相输入（+）之间的电压相等，即v-= v+。在这种情况下，运放的输出电流iL并不依赖于负载电阻RL或输入电压vL，而是由Rf+上的电压决定。Rf+的电压必须与Rf-的电压相同，且不受地电位影响。 接下来，我们将电流镜转变为Howland电流泵，通过将Rf+连接到不同的电压点，如vR。在vR=0V时，电路成为一个单运放差分放大器。当vR=VOS（恒定偏置电压）时，输出电压vO会增加，但为了保持v-=v+，v+/vO必须小于1，以防止运放输出达到饱和。为了实现这一目标，Rf+被分解为Rf-Rs和Rs两个串联电阻，这样可以引入正反馈，调整输出电压以保持输入平衡。 在这个电路中，Rs上的电流iL与Rf-Rs上的电流iB分离，由一个电压增益为a的缓冲器实现。运放的输入电压vL可通过以下公式计算：vL = (iI * Rs) / (1 + a)，其中iI是输入电流，a是缓冲器的增益。最终的输出电流iL与vL无关，仅与输入电压vI有关，这是因为正反馈环路会抵消vL的变化。 当负载电阻RL增大导致vL增加时，正反馈环路会放大vL的增量，通过运放的同相比例增益Av+进行补偿，使vO相应增加，从而保持iL不变。这种自举提升的行为确保了vS（Rs两端的电压）保持稳定，进而维持iS（流经Rs的电流）的恒定，即使vL变化，iL也不会受到影响。 在最简单的形式中，Howland电流源可以没有×1缓冲器，但Rf+仍需分为Rf-Rs和Rs，以满足电流源条件。此时，iL和iB共同流经Rs，但仍然可以通过电路分析技术将其分开。反馈路径的总串联电阻Rf保持不变，而Rf/Ri的比例在正反馈和负反馈路径中必须相等，以确保电压自举效应使得iL独立于vL。 Howland电流泵是一个巧妙的电路设计，它利用运放的特性创建了一个能够提供恒定电流的源，该电流独立于负载电压的变化。通过理解其内部的工作原理，包括反馈机制、电阻分压和电压自举，我们可以更好地应用这个电路于各种电源设计和技术应用中。

《Op Amps for Everyone》是运放领域的经典之作，作者Ron Mancini和Bob Carter以其深入浅出的方式，为读者提供了全面而实用的运算放大器（运放）知识。运放是电子工程中的核心组件，广泛应用于各种嵌入式系统中，因此这本书对于理解和应用运放至关重要。 该书第五版在前四版的基础上进行了更新和扩展，涵盖了运放的基本概念、电路设计、应用实例等多个方面。以下是其中的一些关键知识点： 1. 运放基础：书中首先介绍了运放的基本结构，包括差分输入、高输入阻抗、低输出阻抗等特点，以及理想运放的概念。这些基础知识为理解运放的工作原理奠定了基础。 2. 运放电路：讲解了基本的运算放大器电路，如电压跟随器、反相放大器、同相放大器、加法器、减法器等。这些电路是许多复杂电子系统设计的基础。 3. 非线性应用：涵盖了比较器、滞回比较器、窗口比较器等非线性应用，这些都是运放在数据检测和信号处理中的常见角色。 4. 稳压电源：书中也涉及了运放如何在电源设计中发挥作用，例如电压基准源、电流源等，这对于理解和设计嵌入式系统的电源部分非常重要。 5. 模拟滤波器：介绍各种类型的模拟滤波器，如低通、高通、带通、带阻滤波器，以及它们的实现方法，这对于信号处理和噪声抑制至关重要。 6. 差分和共模信号：详细解释了差分信号和共模信号的概念，以及如何通过运放实现差分放大，这对于减少噪声和提高信号质量具有重要意义。 7. 开环增益与闭环增益：讨论了运放的开环增益和闭环增益，以及负反馈在稳定电路性能中的作用。 8. 输入失调电压和电流：讲述了输入失调对运放性能的影响，以及如何通过补偿技术进行校正。 9. 高速和宽带运放：针对高速和宽频域应用，探讨了高速运放的设计挑战和特性。 10. 实际应用案例：书中包含大量实际应用示例，如音频放大、传感器接口、ADC和DAC预处理等，帮助读者将理论知识应用于实践。 《Op Amps for Everyone》第五版是一本全面而实用的运放教程，适合电子工程初学者和经验丰富的工程师参考。通过阅读此书，读者可以深入理解运放的运作机制，提升在嵌入式系统设计中的能力。

文章目录 画运放比例电路 10.1 同相放大/反向放大 10.2 集成运放参数理解，包括哪几部分，压摆率呢？ 10.3 轨到轨运放 10.4 失调电压/电流

北京邮电大学 22级信通院 运放音频放大电路设计及测试 含仿真电路与实测电路数据

multisim 通过运放产生方波，再通过有源一介低通滤波产生三角波