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正确认识单电源运放

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cdzx11
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总工程师
  • 2011-1-30 23:49:07
我来这儿第一天就看到《运放的单电源供电和双电源供电~》这个帖子,但一直没把全部的帖子看完。
说实话,要把这个帖子全部看完对我来说有些考验神经。
因为大家说了那么多,从参数指标说到内部结构,但我认为始终没把问题的关键说出来。

在说什么是单电源运放之前,我们先看看这张图:


大概没有人不熟悉这两张图了,这是最基本的同相放大器和反相放大器。
一个实际的运算放大器到底是不是单电源运算放大器,就看当它用单电源供电的时候,能不能正确的实现上面图上的这两个放大器。
当然,由于单电源供电,运放的输入、输出电压是受限的。对于正电源供电的单电源运算放大器:同相放大器输入、输出电压仅限于不小于0V的电压;而对于反相放大器,输入电压不大于0V,输出电压不小于0V。
当单电源供电时,要保证图中电路正常工作,所必须的特性就是单电源运放的特征,这些特征主要有两点:①共模电压范围要能达到负电源端(假定为正电源供电,下同)②当不需要吸收电流时,输出电压要能达到0V。

我注意到那个帖子里面,大家还讨论过单电源运放输出特性不理想,不能到0V,这显然是事实。不过,对于一个标准的运算电路来说,因为输出电压永远不小于0V,所以永远不需要吸收电流——就这个角度来看,单电源运放并不是不理想的。
为了保证运放能输出0V电压,单电源运放输出下拉晶体管不应该采用双极晶体管,因为双极晶体管存在一个饱和电压。在实际电路中,往往免不了需要单电源运放有吸收电流的能力,需要吸收电流时,运放无法保持0V输出,其输出电压指标对单电源运放具有特别重要的意义。

另外,轨到轨的运算放大器,我们也可以看做可以正电源单独供电,也可以负电源单独供电的单电源运放。
Luther
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本网技师
  • 2011-1-31 00:51:24
 
那篇帖子刚看了一下,纯粹是几个熟人在那儿灌水,闲得没事交流感情呢。。。
不过楼主的提法其实也没啥意义,他们谈单电源和双电源供电只是从供电方式来讲。所有运放都可以采用双电源,也可以采用单电源供电,唯一不同的就是你的输入输出共模电平。
cdzx11
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总工程师
  • 2011-1-31 00:59:40
 
你的说法不正确。
双电源运放的确可以用单电源工作,但那是通过输入端加偏置的方式躲开地电平,这不能算真正的单电源应用。如果这也算单电源应用,实际上根本不存在所谓的单电源运放了。
Luther
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本网技师
  • 2011-1-31 02:45:35
 
其实只有一个问题,你怎么定义地电位?
cdzx11
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总工程师
  • 2011-1-31 11:38:39
 
对于单电源运放来说,地电位就是其中一个电源端,这还需要定义吗?
楚天?
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版主
  • 2011-1-31 22:52:42
 
但双电源的运放内部电路会有差异。
cdzx11
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总工程师
  • 2011-1-31 23:35:37
 
应该这样理解:双电源运放设计的时候,就根本没考虑单电源工作的问题;而单电源运放除了满足运放的一般性要求之外,单电源工作的能力当然是重点。因此,两种产品内部肯定会有差异。

或许有人会问,为什么不把运放都设计成单电源运放,甚至轨到轨运放呢?
事实上,设计单电源运放也是需要付出代价的,轨到轨运放更是如此。没有那一种设计是完美的,能同时在各种指标上做到最好,这也就产生了针对各种不同用途的优化的运放。事实上,还要考虑成本问题……
cdzx11
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总工程师
  • 2011-1-31 15:31:40
 
这个帖子看的人不少,怎么都不发表意见?
玉兔昇
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高级工程师
  • 2011-1-31 17:28:13
 
那个帖子已经讲的很透彻了,结论也有了。不是如Luthe先生所说“纯粹是几个熟人在那儿灌水,闲得没事交流感情呢”。起码我不是什么人的熟人。可能Luthe先生没有仔细看吧。
Luthe先生说:“所有运放都可以采用双电源,也可以采用单电源供电。”这确实是不对的。改成:“所有运放都可以采用双电源供电,只有一部分运放可以采用单电源供电。”就好了。
cdzx11
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总工程师
  • 2011-1-31 20:16:00
 
那个帖子的确把该说的都说的差不多了,当初参与讨论的人应该该明白的都明白了,不过后来者要看明白恐怕比较困难。

另外,关于输出“零”的问题,似乎有一点点偏颇。的确,单电源运放在0V没有吸收电流的能力,但并不能说单电源运放不能输出0V。事实上,如果负载不需要运放吸收电流,甚至需要运放输出电流的时候,单电源运放输出端是完全可以到0V的。对于最典型的负载:接地的电阻性负载,单电源运放肯定不存在输出不能到0V的问题的。
晶纲禅诗
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版主
  • 2011-2-1 14:16:48
 
对于最典型的负载:接地的电阻性负载,单电源运放肯定不存在输出不能到0V的问题的。.....???   0V是近似的还是真正的0V?
cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-1 22:45:25
 
为什么一定要吸收电流才能确认0V的确是真实的0V呢?我们再运放输出端连接一个负载电阻,当这个电阻两端的电压为0V,运放的输出端电压肯定是0V。
cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-1 22:51:34
 
我本来想说:我们在运放输出端连接一个负载电阻,流过这个电阻的电流为零,那么输出电压肯定为零。
后来还是改成了上面的样子,想想把这句话也贴出来。

另外,当我们把一个电阻的一端接地,另一端悬空。你认为悬空的端口上电压不是0V吗?
blueskyy
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总工程师
  • 2011-2-1 21:49:34
 
两个问题:
1。的确,单电源运放在0V没有吸收电流的能力??
你的意思是:假如有吸收电流,输出电平就被“灌”高出0V ???
2。运放的Vcc和Vdd,只认识“压差”,“不认识”什么正负电源(或者你说的双电源之类)。这个观点我在那个帖子里也说明过,我想你应该明白我的意思~
cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-1 22:39:30
 
1. 如果需要,单电源在输出电压等于VSS的时候,的确有输出电流的能力。
2. 你的看法是不是认为根本不存在“单电源运放”这种东西?至于“双电源运放”的概念,是相对于“单电源运放”而存在的,原本的确没有这个概念。

我前面已经说过了:单运放的特征,就在于单电源供电的时候,能实现最基本的同相放大器和反相放大器——虽然输入信号的极性受限。
之所以强调两个基本电路,是因为这两个基本电路是运算放大器实现各种模拟运算的基础,能实现这两个电路,就意味着能实现大部分的模拟“运算”,比如加法器、对数放大器。
与此相反,普通运放显然无法实现顶楼给出的这两种基本电路。其中,当输入电压较高的时候,同相放大器还可以得到正确的输出,可以认为是输入电压范围比“单电源运放”进一步受限;而对于反相放大器,普通运放在负电源供电端接地的时候,完全无法工作。
blueskyy
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总工程师
  • 2011-2-2 22:21:21
 
要使运放能正常工作,完成它的“运算”使命,除了正确的供电(其实本无双电源 或者 单电源之说的,本质上应当如此来理解,借用这个说法只是描述上的方便而已),还需要在当前的电源系统下,重点考虑 :差模电压,共模电压,电流能力。。只要这些指标在运放的spec之内,运放就完全能正常工作。你顶楼的电路,不要将输入信号和供电系统分离来分析~
cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-2 23:28:18
 
不是把信号和电源分离,而是把电源和地联系起来。
对于直流信号,以及频率很低的信号,和地电平时密切相关的。
slamdunk
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高级工程师
  • 2011-2-5 23:09:24
 
我没看懂楼主的意思,这样子,我贴2张图,一个双电源运放,一个单电源运放,请楼主结合着一楼的图详细解释下这2句话行吗?
当单电源供电时,要保证图中电路正常工作,所必须的特性就是单电源运放的特征,这些特征主要有两点:①共模电压范围要能达到负电源端(假定为正电源供电,下同)②当不需要吸收电流时,输出电压要能达到0V。



cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-7 00:15:52
 
似乎我说的和这段话不矛盾吧?
这段话实际上就是单电源运放实现标准同相/反相运放放大器功能的充分、必要条件。
WANGYUREN
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总工程师
  • 2011-4-7 08:28:51
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上图整个单电源功放说事?它的输出电压咋达到0V(下图还有个Q10搞下拉)?别说输出端整个电阻到GND
cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-1 22:43:31
 
事实上,单电源运放的概念并不是我,或者这儿其他某位自作主张提出来的,是业界早就存在并被广泛接受的一个概念。
我们这儿讨论的是,这个概念所包含的实体的特征究竟是什么。
否认“单电源运放”这种概念似乎没什么意义。而“双电源运放”的概念只是相对于“单电源运放”这个概念而存在的相对概念,如果你不喜欢这种说法,不妨用“非单电源运放”或者“普通运放”来称呼。
玉兔昇
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高级工程师
  • 2011-2-2 18:11:47
 
cdzx11 :关于输出“零”的问题,似乎有一点点偏颇。的确,单电源运放在0V没有吸收电流的能力,但并不能说单电源运放不能输出0V。
事实上,如果负载不需要运放吸收电流,甚至需要运放输出电流的时候,单电源运放输出端是完全可以到0V的。对于最典型的负载:接
地的电阻性负载,单电源运放肯定不存在输出不能到0V的问题的。

楼主的话“似乎有一点点偏颇”。主要是那个帖子没有看仔细。东方先生有个极限思想有点用处,0V不是一个绝对的概念,对单电源运放
而言,是永远也不能达到,但又可以无限接近。例如,在实用上把<0.01V作为零点,且必须有一定的拉电流和灌电流的能力。对不同的
运放进行单电源供电实测,有的达不到这个标准,叫做普通运放,即只能双电源供电;而有一类是特殊设计的,可以达到这个要求,叫
做单电源运放。

至于说“接地的电阻性负载,单电源运放肯定不存在输出不能到0V的问题的。”是没有用的,这个孤立的零点不能说明什么问题。
cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-2 20:44:15
 
我问你一个问题,假如运放没有失调(可以认为失调已经通过调节电路修正),那么单电源运放能不能在规定的输入条件下正确的实现上面图上同相放大器和反相放大器的功能?当输入电压为0V的时候,输出是不是0?
在我看来,东方兄所说的那个逼近并不总是需要的,需要那个逼近仅仅在于我们需要运放在接近0V的时候,需要吸收电流才用得上。问题是并不是所有电路都需要运放吸收电流。
单电源运放无法在接近0V的时候吸收电流,同时保证正确的输出电压,这个事实说明没有办法作出接近理想的单电源运放(理想运放输出阻抗为0),尽量降低吸收电流时的最小输出电压,的确是我们在努力逼近理想运放。
玉兔昇
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高级工程师
  • 2011-2-9 18:21:38
 
楼主:单电源运放能不能在规定的输入条件下正确的实现上面图上同相放大器和反相放大器的功能?当输入电压为0V的时候,输出是不是0?

这个问题的要点是:怎样理解输出是0?其实在原来的那个帖子里已经解决了。就是不能理解成绝对的数学上的0,而要理解成有一定精度要求的工程师的0V。

例如,数字电路只有0和1两种电平,所谓的0也是有特定的范围,不是绝对的0V。

那么,单电源运放的0V是多少呢?这要给个标准,比如说是<0.01~0.05V,像LM324之类的可以达到。但双电源的运放就达不到这么低。如下图就是;
cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-9 18:39:35
 
我看过你们这段讨论,你们的讨论是基于运放需要吸收电流,所以输出无法到真正的0V——这实际上是单电源运放的一个缺陷,不够接近理想运放。
但问题是,运放在实际使用中,并不总是需要吸收电流的。如果不需要吸收电流,那么输出端达到真正的0V是不会有问题的。这时候就好比输出端是一个单端接地的电阻,你能说电阻的另一端不是0V吗?(假定输出端负载开路,或者也是一个接地电阻)
东方
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副总工程师
  • 2011-2-10 10:43:41
 
楼主:线性不好是因为吸收电流能力的问题,如果不让运放吸收电流就不存在线性不好的问题。

blueskyy你这个说法是恰当的~

XW:充分肯定楼主的说法。

东方:但是,我们再来看一下典型的双电源运放的电路图:看用单电源供电是怎样的情况?




XW:按楼主的说法,负载不可能灌电流,那么,(双电源运放用单电源供电)零点附近就是线性的。

东方:Ui=0V Uo=0V没错,但若Ui=0.1VUo=


XW:这个……我想,正常工作时,UE > UEE的,但现在—UEE=0,那么UE>0VUi=0V,T1T2都是NPN,处于<span style="color:black;mso-bidi-font-size:10.5pt;mso-font-kerning:0pt;mso-themecolor:text1;" lang="EN-US"><span style="font-family:'Times New Roman';">UB<U
玉兔昇
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  • 2011-2-16 16:02:31
 
blueskyy先生,这个说法不是太恰当。我也认为图中这种典型运放是不能用于单电源的。根据东方的解释,还不仅是输出有关,输入端也有单电源和双电源之分,不论是同相输入还是倒相输入,这个输入往往有一端要接地,但工作点就可能不正常了。
所以,楼主讲“正确认识单电源运放”还是很有必要的。
WANGYUREN
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东方是布鲁斯基?
blueskyy
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我只能望东方先生的项背~
WANGYUREN
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别误会:俺只是发帖消除自己思想上的误解
框子
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最新回复
  • 2013-3-28 14:11:51
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马克留名
WANGYUREN
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T1、T2不搞成达林顿,整成共集共射差分输入可满足以+UCC为GND的单电源运放输入级。
深山老妖
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  • 2011-2-6 11:33:10
 
同相放大还有这样一种方式(R1=R2,R3=R4),它们只是放大倍数不同。


单电源运放在0点附近,线性度不好。这时就要用双电源。
blueskyy
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  • 2011-2-6 18:54:16
 
单电源运放在0点附近,线性度不好.
为什么?什么原因导致线性度不好
cdzx11
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  • 2011-2-7 00:13:19
 
线性不好是因为吸收电流能力的问题,如果不让运放吸收电流就不存在线性不好的问题。
blueskyy
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总工程师
  • 2011-2-7 18:18:12
 
你这个说法是恰当的~
线性不好的原因是,输出下管已经接近饱和状态了,失去了电流调整能力~
cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-8 23:16:12
 
这个时候,实际上运放的开环增益已经变得很低了,精度自然无法保证。
对于更大的吸收电流,或者足够接近于低电平且需要吸收电流的情况,运放的开环增益实际上可能远小于1,完全无法调整输出电压了。
cdzx11
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总工程师
  • 2011-2-7 00:17:31
 
还有,你这个图和我贴的图其实没有本质差别,你这张图不过是把输入电压分压之后再接如运放而已。
这种接法,特别是按照你标注的条件,实际上通常用来做差分放大器用。
maryxiaomeng
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zkybuaa
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朴华
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