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单电源的真正含义是什么?

在过去只使用电池的时候,单电源完全就是个行业术语。如果市场营销人员将“单电源”标签贴在放大器上,所带动的兴趣和销量将会体现出这类产品的吸引力。现在仍是如此,但您的确需要知道这个词的真正含义。 放大器通常有五个终端:非反相输入、反相输入、正电源、负电源和输出。没错,有两个输入、一个输出和两个电源引脚(图 1)。注意,没有接地引脚。实际上,设计人员可将负电源连接至 50V,将正电源连接至 55V,只要产品说明书允许的电源范围是 5V 即可。在该配置中,如果输入引脚和输出引脚符合输入范围和负载要求,那么单电源或双电源放大器都能良好工作。

图 1. 显示不同引脚位置的放大器方框图。*
图 1. 显示不同引脚位置的放大器方框图。

我们回过头来定义一下“单电源”应用的含义。设计人员可利用这种电路确保电源电压之差符合电池电压范围或尽可能最低。最终目的是减少电路功耗。这样,电源电压范围 (V+ – V–) 就可低至有源组件允许的最小值。 具体到运算放大器时这又代表什么呢?输入输出性能特征必须尽量接近电源。实际上,最好是非反相输入 (VIN+) 和反相输入 (VIN–) 轻微高出或低于电源电压几百毫伏。 放大器输出端则是另一个问题。如果输出引脚 (VO) 能够高于和低于电源引脚最好。然而,还有可驱动负载并需要最小工作压降的内部晶体管(图 2)。

图2. OPA314 的简化原理图*
图2. OPA314 的简化原理图

在图 2 中,输入共模电压范围超出电源轨(V+ 和 V–)200mV。对于 0 至 5V 电源,输入范围是 –200mV 至 5.2V。您可以注意到在该互补型输入级中有一个 N 通道输入差分对与 P 通道差分对并联。在该电路中,当输入电压接近正电轨时 N 通道差分对启动,而在输入电压接近和超出负电压轨时 P 通道差分对启动。 该器件具有 AB 类输出级,可实现稳定的输出驱动功能。对于高达 10 千欧的电阻式负载而言,输出摆幅一般在任何一个电轨的 5mV 以内。对于该规范来说,负载电阻器偏置至接地。 假设该放大器电源引脚上的电压是 +2.5V (V+) 和 –2.5V (V–)。这种情况下,VIN+ 和 VIN– 的输入摆幅等于 –2.7V 至 +2.7V(包括)。此外,输出负载电阻器可偏置至 –2.5V。 问题出现了,“我能将我的信号电源放大器与不对称电源一起使用吗?”答案是可以。切记,放大器没有接地参考。但是,如果您想通常任意放大器获得接地参考,无论是单电源放大器还是双电源放大器,都要注意输入共模、输入摆幅以及输出摆幅规范。您必须花些时间将产品说明书技术规范转换成应用的电源条件。

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