运算放大器单电源设计

引言：
运算放大器的供电存在两种形式，单电源供电以及双电源供电。在运放电源的设计中普遍采用双电源供电的方式，例如仪表运算放大器INA129的供电电压范围根据芯片手册可以得知为±2.25-±18V，同时其可以采取4.5-36V的单电源的供电方案。在真实的设计案例时，往往得到负电源是较为困难的，因此采用单电源供电的方式可以一定程度的减轻设计难度。
电势差：
明确单电源设计的方法，首先需要明确一个物理学概念。电压——即电势差，是一个相对值，基于参考点得到的一个数值，通常我们常常取大地所处的电平作为零电势点。我们观察INA129的单双电源供电范围不难发现，单电源供电的本质就是取值选取双电源供电两个供电引脚间的电势差。换个说法，单电源供电就是在双电源供电的基础上将供电范围抬升了1/2电势差。
虚地：
当我们采用双电源给INA129运算放大器供电的时候，给信号输入端给定一个正弦信号，其输出摆幅围绕在0电势点处，也就是通常所说的“地”附近。从前文我们可知单电源供电就是在双电源供电的基础上，整体抬升了1/2电势差，因此我们可以认为当输入一个正弦信号后，运放的输出信号将在1/2电势差处做正弦摆动。参考“地”电平这一概念，通常可以将这个1/2电势差叫做“虚地”。因此单电源供电的原理就是基于电势差这一物理学概念，在具体的设计中我们只需要将原本的地电平换做“虚地”。
设计方法：
明确了单电源供电的原理，如何真正的将其应用到实际电路中去。通常我们运算放大器的输入信号是基于“地”电平给定的参考，在单电源的设计中我们的输出信号将以“虚地”作为参考电平，因此在信号输入运算放大器之前，需要将信号变换到“虚地”上去。在实际的设计中，针对输入信号的不同，我们将这个信号变换过程分为“直流耦合”及“交流耦合”。
直流耦合：
在直流耦合中，我们知道耦合地可以简单的认为将输入信号做了一个电平抬升，因此在这里我们采取加法器的设计，通过加法器将直流信号抬升至“虚地”电平。
在这里插入图片描述
在图片中我们可以看到我们的供电电压为5V，因此我们的虚地电平在2.5V，因此当运放不存在输入信号时，运放的输入引脚将存在一个2.5V的电平。由于加法器的特性，加法器的输出等于两个输入之和的一半，因此按照这种说法，我们的耦合电压应该为5V。而这里采取的却是4.9V？不禁引起疑问。在上文中我们提到了在单电源供电方案中运放的输出信号将围绕着虚地摆动，因此为了充分的放大前级的输出信号范围，根据前级输出信号的中值我们来做加法器计算。也就是说当前级信号中值输入运放时，运放的输出信号就是“虚地”，当输入信号没有达到中值则输出信号将小于“虚地”反之则大于“虚地”，近似的模拟出了一个类似于交变电流信号信号变换的过程。在这里选定的信号中值是0.1V，也就不难算出耦合电压为4.9V。注意在实际的电路中，如果存在多个信道，不同的信道将存在不同的耦合电压，因此在这里的设计过程中我们一半就采用运放的供电电压作为耦合电压，那虚拟电平将是（5+0.1）/2=2.55V，会一定程度上丧失运放精度范围，但是同较少的设计复杂程度这种损失我们通常可以忽略不计。
交流耦合
在交流耦合时，处理过程同直流耦合相类似，但更为简单只需要将“虚地”直接耦合进输入信号即好，实际电路如下图。
在这里插入图片描述
多级电路串联：
交流耦合需要注意的一点就是当存在多级信号时，在多级之间的耦合是需要考虑采用交流耦合的方式，否则抬升的地电平将被放大引起较大的直流偏移。解决方法很简单，利用电容隔直通交的特性在级联的过程中通过串接电容即可将地电平滤除掉。