单电源运放交流放大器的设计

单电源运放交流放大器的设计Ξ 博战捷 , 乌恩 (内蒙古师范大学 物理系 ,内蒙古 呼和浩特 010022) 摘 　要 : 分析了单电源供电运算放大器应用中存在的问题 ,给出同相输入与反相输入交流 放大器的设计方法. 关键词 : 运算放大器 ; 交流放大器 ; 应用设计 中图分类号 : TN 702 　文献标识码 : A 　文章编号 : 1001 - 8735 (2000) 01 - 0036 - 03 图 1 单电源运算放大器 (如 LM324 类) 采用一组正电 源供电 ,使用比较方便. 但作为交流放大器使用时 ,使 用不当会产生信号失真.例如 ,图 1 是想利用单电源运 放构成一个同相输入放大器 ,但输出信号却产生了负 向切割失真. 一些使用者误认为 ,单电源运放不适合在 交流放大器中使用. 其实 ,这是由于使用不当造成的. 因为单电源运放只能输出 V 0 ≥0 的信号 , 而在图 1 中 , 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 输入信号在运放同相输入端出现时必须高于 地电位 ( V + > 0) . 假如输入端是一个带有直流成份的 正弦信号 ,通过隔直电容后将是一个失去直流成份的 图 2 纯交流信号. 在交流信号的负半周 ( V + < 0) ,输出端 不可能输出 V 0 < 0 ,所以负半周将被切割. 为解决单电源运放产生的交流信号的失真问题 , 可以在运放同相输入端加直流偏置 ,使运放在静态时 输出端有一个直流偏置电压输出 V 0 . 这样 ,当交流信 号输入时 ,输出信号将在 V 0 左右变化 ,在动态范围之 内 ,信号不会失真 ,如图 2 所示. 输出端静态偏置电压 V 0 一般可以为供电电源电压的 1/ 2 左右 ,以输出信号 不产生失真为原则. 本文以图 3 所示的同相输入运放 电路为例 ,说明单电源运放交流放大器的设计方法. 因运算放大器工作在线性放大区 ,由电路线性迭加原理可知 ,总输出为直流输出与交流输 出之和 ,即Ξ 收稿日期 : 1999 - 05 - 10 作者简介 : 博战捷 (1951 - ) ,男 (蒙古族) ,内蒙古通辽市人 ,内蒙古师范大学副教授. 2000 年 3 月 第 29 卷 第 1 期 内蒙古师大学报 自然科学 (汉文)版 Journal of Inner Mongolia Normal University (Natural Science Edition) Vol. 29 No. 1 Mar. 2000 　　V 0 = V 0 + V 0 = V I (1 + R4 R3 ) + V i (1 + R4 R3 ) = A v V I + A v V i . (1) 图 3 式中 , V 0 、V I 为直流输出、输入信号 ; V 0 、V i 为交流 输出、输入信号 ; A v 为同相输入运放的放大倍数. 　　A v = (1 + R4 R3 ) . (2) 静态设计只与直流参数有关 ,由图 3 知 　　V I = Ec R2 R1 + R2 . (3) 为推出一般表达式 ,可令 　　KR = R1 R2 , (4) 假设将运放输出直流电压偏置在某一 V 0 值 ,使 　　　　　　K = V 0Ec (5) 考虑到运放直流输出为 　　　　　　V 0 = V I (1 + R4 R3 ) = A v V I (6) 将 (3) (4) (5) 式代入 (6) 式 ,整理得 　　　　　　KR = 1 + R4/ R3 K - 1 = A v K - 1 (7) 在实际应用电路中 ,一般都是先确定放大器的放大倍数 ,即 R4/ R3 . 如果设定 V 0 为某一 值 ,即可由 (5) 式和 (7) 式求出 K 值及输入端偏置电阻的比值 KR . 再选定 R1 、R2 之间任一个 数值 ,就可以算出全部电路参数. 例　设计一个电压放大倍数为 10 倍的同相放大器. 因 A v = 10 ,取 R3 = 10 kΩ ,代入 (2) 式可求出 R4 = 90 kΩ. 如果将 V 0 设定为 Ec/ 2 ,由 (5) 式得 K = 1/ 2 . 将 A v 值及 K 值代入 (7) 式 ,求出 KR = 19 . 取 R2 = 10 kΩ,由 (4) 式可求出 R1 = 190 kΩ. 一般情况下 ,各电阻值取相近系列值即可. 如果交流放大倍数精度要求较高 , R3 可用精密微调电阻调节使之满足要求. 直流偏置电 压 V 0 是为了保证运放能正常工作 ,一般不需精确调定. 由于交流放大电路采用隔直电容耦 合 ,直流偏差不会逐级放大传递. 反相输入单电源运算放大器实用电路见图 4 ,它的总输出为 　　　　　　V 0 = V 0 + V 0 = V 0 (1 + R4 R3 ) - R4 Rs V s , (8) 式中第 1 项仍为直流偏置设定项. 上面推出的同相输入运放的直流参数设计仍适用 ,只是在反 相输入时 ,其交流放大倍数为 　　　　　　A v = V 0 V s = - R4 Rs . (9) ·73·　第 1 期 博战捷 等 : 单电源运放交流放大器的设计 　　　　　 likeli 铅笔工具 likeli 铅笔工具 图 4 根据上述设计原则 ,还可以设计出其它类型的 交流放大电路 ,不再赘述. 另外 ,单电源运放如不用隔直电容 ,也可用于单 极性信号 V i > 0、V 0 > 0 的电路中. 例如某些单极性 的 D/ A 接口电路 ,在同相输入时 ,不加直流偏置即 可正常工作. 在反相输入时 ,必须加直流偏置 V 0 . 考 虑到输入信号源的内阻 ,上述关于 V 0 偏置的计算 式仍适用. 这种电路当输入信号上升时 ,输出的是一 个下降信号 ,偏置设计应留出这一下降空间 ,否则信 号将失真. 参考文献 : [1 ] 　章诗白. 模拟电子技术基础 (下册) [ M ] . 北京 :人民教育出版社 ,1981. [2 ] 　梁明理. 电子线路 (下册) [ M ] . 北京 :高等教育出版社 ,1991. THE DESIGN OF AC OPERA TIONAL AMPL IFIER WITH SIN GL E EL ECTRIC SOU RCE BO Zhan2jie , WU En ( Depart ment of Physics , Inner Mongolia Norm al U niversity , Huhhot 010022 , China) Abstract : The cause of incorrect AC OP - AMP with single electric source application of is analyzed. The design method of common AC amplifier with noninverting input and inverting in2 put is given. Key words : operational amplifier ; AC amplifier ; application designing 我校齐宝瑛教授荣获第二届 周尧昆虫分类学奖励基金奖 我校生物系齐宝瑛教授继 1997 年获内蒙古自治区科技进步二等奖之后 ,于 1999 年又荣 获第二届周尧昆虫分类学奖励基金三等奖. 周尧昆虫分类学奖励基金是我国著名昆虫学家周 尧教授捐资设立的 ,用于奖励在昆虫分类学科研工作和昆虫分类学学科发展方面作出突出贡 献的杰出人才. 颁奖大会在陕西杨陵西北农业大学昆虫博物馆举行 ,由周尧教授亲自颁奖. ·83·　　　　　 内蒙古师大学报 自然科学 (汉文) 版 第 29 卷