“老猫”教学系列——单电源运放

                   ———本系列博客属于“加菲猫”帮助他人解答问题的汇总。

    什么叫单电源供电运放？

    运放本质是一个类似OCL功率放大器的电路。差分输入级，中间电压放大器，末级互补推挽输出级。

    BG1、BG2是输入级，BG3是恒流源负载，BG4、BG5是第二差动放大器，BG6是电压放大器或者叫中间放大级，BG7、BG8则是互补推挽输出。

    当上图电路用双电源供电使，输出Vo即不可达到正电源电压，也不能达到负电源电压。因为输出管BG7，BG8总有一定的压降，这个压降来自CE结压降。

    如果把负电源端接地，正电源接2倍的VCC，然后通过在输入加偏置，使之输出静态情况为VCC，这就是所谓的双电源改成单电源供电，说白了只是参考点发生了变化，由中点变成了负电源端。也就是负电源端是0V，因为运放输出到不了负电源，也就到不了0V。所以，一般双电源运放改单电源最大的问题，输出到不了0V（即最低电压值）。

    单电源运放这个词的意思，根本不是单电源能放大交流的意思，而是单电源供电时，最低输出电压能到0V。

    LM358电路中Q7，以及Q7下端那个恒流源的作用就是让最低输出电压能达到0V。一般来说，输出电压下降到Q13的C-E间饱和压降（VCE）就无法再下降了。但这种特殊设计，使得电压进一步下降时，电流还可以从恒流源中通过。最终输出电压，最低可以只有几十个mv，这就是单电源供电运放的特殊设计。

    单电源的意思是：输出能够尽可能接近负电源电压，如果用单电源供电，输出能够尽可能接近0V。如果用某种特殊的设计，使得输出既可以尽可能接近负电源电压，又可以尽可能接近正电源电压，那就叫做轨到轨（Rail-to-Rail）运放。

    也就是，三种运放对比：

         普通运放：输出即无法达到负电源电压，也无法达到正电源电压。

         单电源运放：输出可以达到负电源电压，但无法达到正电源电压。

         轨到轨运放：输出既可以达到负电源电压，又可以达到正电源电压。

    对于单电源运放放大交流信号的问题？答案是不能放大交流，因为它的最低输出是0V，而交流有负值。所以任何运放单电源供电都不能直接放大交流。那怎么办呢？办法就是模拟双电源情况，让运放静态（无交流输入时），输出为电源电压的一半。这样加入交流输入，输出就在电源电压一半上下摆动，换而言之，输出是一个交流叠加在直流上，然后用电容器隔断直流，就取出交流信号了。那么，这种让运放静态时，输出为电源电压一半的电路就叫做偏置电路。偏置电路的设计方法有多种，但无论哪种，基本原则都是让运放静态时输出为电源电压的一半。

    如上图，RF和R1构成常规反相放大器。C1和C2是输出的隔直电容，不可省略！R2、R3是偏置电路，如果R2=R3，那么输出Vo(DC)就是电源电源的1/2。

    总结：单电源运放一般适合放大从0V开始的直流信号，如果想放大交流信号只需加入偏置电路，改变运放的参考点。