什么时候用单电源运放？什么时候用双电源运放？什么时候用轨至轨运放？-电路设计困惑点

原创硬件那点事儿 2025-01-17 08:03

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Part 01

前言

打开运算放大器的规格书，我们会发现运算放大器的工作电源电压范围是正负电压值，不像其他的IC一般都是正电压供电，比如+3.3V或者+5V，那我们什么时候用单正电源给运放供电呢？又什么时候用双正负电源给运放供电呢？同时运放又分为普通运放和轨至轨运放，我们什么时候用普通运放？什么时候用轨至轨运放呢？接下来就详细说明一下。

Part 02

单电源，双电源供电怎么选？

我们以电压跟随器电路为例，输出电压等于输入电压。当输入电压正向增加时，当输入电压在接近但没达到正电源的某个电压值时，输出电压将无法随着输入电压增加而增加。当输入电压在接近但没达到负电源的某个电压值时，输出电压将无法随着输入电压减小而减小。比如运算放大器如果允许输出在电源1V范围内摆动，从而可以在±15V电源下输出–14V至 +14V。

对于由单个+30V电源供电的电压跟随器电路而言。我们假定运算放大器还是允许输出在电源1V范围内摆动，这意味着只要输入距离运算放大器任一电源端子不小于1V，输出就能够跟随输入变化。对应电路的可用输出范围为+1V至+29V。

所以总结来说，如果你的输入电压既有正电压值，又有负电压值，那么就需要用双电源（正负电源）为运放供电。当然还有一种解决方案是为输入的正负电压加一个偏置电压把正负输入电压变为正电压来实现用单电源供电的运放采集正负输入电压的作用，比如下面的差动放大电路，通过Ref偏置电压把正负输入电压变为正电压，但是缺点也很明显，就是当输入为0V时，输出相对GND而言很难达到绝对的0V，比如是0.01V，如果Vout后面又接了一级放大电路，如果放大倍数是100倍，那0.01V就会被放大成1V。这影响可是灾难级的。

在+3.3V或+5V电源系统中，运放单电源供电设计减少了电源管理复杂性和成本，因为少了一个负电源，适合处理传感器输出在地电位（0V）以上的信号。

运放双电源供电设计输出信号可以跨越正负电源电压，输入信号范围通常更宽。对需要处理负信号的场景更为适合，在高精度和宽动态范围的应用（比如仪器仪表电路）中使用，双电源设计使运放避免接近单电源供电的上下限，从而降低失真，在高速信号处理电路中，双电源可以提供更大的带宽和输出摆幅。

Part 03

普通运放，轨至轨运放怎么选？

我们关注两点即可，运放的输入电压范围和输出电压范围是需求是怎么样的？

轨至轨运放的输入电压可以等于甚至略微超出电源电压轨（如0V和 +5V）。运放的输入级采用特定的拓扑结构（如NPN和PNP双极输入对或 CMOS互补输入对），以覆盖整个供电范围。可以直接连接到传感器输出或其他与电源轨接近的信号源，无需额外的偏置或调整电路。

轨至轨输出的输出电压可以接近电源电压轨（通常距离轨电压10mV 至 100mV）。运放的输出级通常采用共源极或共射极电路，以最大化输出摆幅接近供电电压。最大化信号摆幅，在低电源电压下（如 3.3V 或 5V）仍能提供足够的动态范围。

在单电源 +5V、+3.3V 或更低电压的系统中，轨至轨特性充分利用有限的电源范围。在需要高精度放大的应用中，轨至轨特性避免信号失真，特别是在信号范围接近电源轨时。但是需要注意虽然输出接近电源轨，但仍有一定限制（如 10mV-100mV），可能需要后续级放大调整。某些轨至轨运放为实现全摆幅特性可能牺牲带宽或增益，需根据具体应用选择型号。轨至轨运放的设计初衷是解决低电压系统中信号动态范围不足的问题，但是需权衡轨至轨特性与增益带宽、输入偏置电流等参数的相互影响。