运算放大器，简称运放，是电子工程领域中不可或缺的基础元件，广泛应用于信号处理、滤波、放大、比较等各类电路设计。本指南将深入探讨运放的原理、种类、特性以及如何在单电源环境下有效地使用运放。 一、运算放大器基本原理 运算放大器是一种高增益、低输入阻抗、高输出阻抗的线性集成电路。它由多个晶体管和电阻组成，设计成可以提供极高的电压增益，通常在数十万到数百万之间。运放工作时，其两个输入端——同相输入端（+）和反相输入端（-）之间的电压差被放大，并通过输出端输出。理想情况下，运放具有无限增益、零输入偏置电流、零输出电阻和无限带宽等特性。 二、运放的工作模式 1. 非反相配置：运放的输出与反相输入端之间连接一个电阻，形成一个非反相放大器。在这种配置下，输入信号加在同相输入端，输出信号与输入信号同相位，增益等于两输入端之间电阻的比例。 2. 反相配置：输入信号加在反相输入端，输出信号与输入信号反相位，增益可以通过调整反相输入端与地之间的电阻和反馈电阻的比例来改变。 3. 差分输入配置：当运放的两个输入端同时接受不同幅度的信号时，输出与这两个信号的差值成比例，常用于抑制共模干扰。 三、单电源使用运放的挑战与解决方案 在单电源环境下，运放面临的挑战主要是无法实现负电压输出，这限制了其动态范围。以下是一些应对策略： 1. 使用虚拟地：通过内部或外部电阻分压，将反相输入端接地，创建一个“虚拟地”，使得运放能在单电源下实现全摆幅输出。 2. 使用射极跟随器：射极跟随器可提高负载能力，同时保持输入阻抗，允许运放在单电源下更稳定地工作。 3. 借助比较器：结合比较器，运放可以输出数字信号，从而扩展其应用范围。 4. 引入负反馈：通过负反馈电路，可以改善运放的线性度和稳定性，即使在单电源下也能实现良好的性能。 四、运放的选择与应用 不同的运放有不同的性能参数，如增益带宽积、输入失调电压、电源抑制比等，选择时应根据具体应用需求进行。例如，高速应用可能需要高增益带宽积的运放，而低噪声应用则关注输入噪声和失调电压。 运放广泛应用于信号调理电路，如滤波器（低通、高通、带通、带阻滤波）、电压跟随器、比较器、积分器、微分器等。它们在音频设备、仪器仪表、通信系统、自动控制等领域都有广泛应用。 总结，运算放大器是电子工程中的核心组件，理解和熟练掌握运放的使用方法对于任何电子工程师来说都至关重要。在单电源环境下，通过巧妙的电路设计和参数选择，运放仍能展现出强大的功能和灵活性。本指南旨在帮助读者更好地理解和应用运算放大器，为实际工程问题提供解决方案。

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### 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。

单电源运算放大器应用：电源供电和单电源供电，放大，衰减，模拟电感， 仪用放大器，滤波器

本文介绍的主要是一款低功耗单电源音频放大器电路

单电源运算放大器的偏置与去耦电路设计，单电源供电运算放大器的偏置方法

所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC－，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。

TI公司各种运放单电源供电的应用技巧

以单片机MSP430F449为控制核心，设计了一个5 V单电源供电的低噪声宽带放大器。采用单位增益稳定低噪声运放OPA820作为前级放大，高速运放THS3091作为末级放大，其中利用DC-DC变换器TPS61087将5 V电压转化为18 V从而为末级放大电路供电。此外，系统还采用12位高速A/D转换器ADS803实现了测量并数字显示放大器输出电压峰峰值的功能，测量误差小于5%。本系统最高电压增益达到43 dB，上限及下限截止频率达到15 MHz和20 Hz，在50 Ω负载上，最大不失真输出电压峰峰值为4.2 V。系统的输出噪声小于200 mV。

有些需要小电流正负电源的电子设备，可以使用一个运放解决。Proteus 8.3 Professional。