[科普中国]-单电源供电

运放单电源供电指运放只用一种电源供电，如DC 5V，DC 12V，单电源供电，输出只有一种电压，如输入波形是变化的，输出也只在正电压波形变化。

基本信息双电源是由一个正电源和一个相等的负电源组成，一般是正负15伏，正负12伏，正负 5伏，输入和输出电压都是参考地给出的，一般教课书中的涉及到的运放都采用的是这种双电源的供电方法，但是在一些实际生产设计中没有或者只能采用单电源的供电的方法时，就有必要采取相应的解决方法。 单电源供电时，正电源接Vcc，电源地接公共地，并需要将正电压Vcc的一半电压Vcc/2作为虚地接到运放的同相输入端，如下图所示，一般也会在中间加个电阻 VCCVCC/2在此基础上，我们再按照要求设计出相应的运放电路，接通电源后，单电源供电就会正常工作 Vcc/2 可以通过电阻分压的形式从正电压Vcc出得到，但是这个可能会降低运放的低频特性。

单电源供电的运算放大器，一般要加偏置以确保输出信号的摆幅在供电电源范围内。单电源供电系统的输入信号如果以地作为参考，实际上也就是以供电电源的一端作为参考。例如这样的反向放大器在输入信号为正电压时，由于输出不可能低于最低供电电压，所以不能正常工作。当输入信号不是以地作为参考，参考电平与地的差值将随信号一起放大，除非这个参考电平是作为共模电压出现的。因此，要对输入信号进行偏置才能获得想要的输出电压。为解决这个问题，自然想到了信号采用交流耦合的方法。但是，采用交流耦合输入和输出都需要有耦合电容，而耦合电容的存在影响了电路的低频响应，降低了带宽。当采用同相配置时，放大器静态输出会通过反馈回路影响输入端的偏置电压，处理起来很麻烦。

设计要求运算放大器有同相正偏、同相反偏、反相正偏、反相反偏四种配置方式，其参考电压 可由一个低阻的电压源如电压跟随器构成，也可直接由电源芯片提供。为了取得最大的动态范围，使信号在大的动态范围内保持工作在线性区而不进入正向或负向饱和区，对放大器的放大倍数和偏置电压 ，提出以下要求：

为无失真输入信号最大值； 为无失真输入信号最小值； 为供电电压。

可以采用以下步骤来设计单电源供运算放大器：

1)首先确定无失真输入信号最大值 、无失真输入信号最小值 、电压放大倍数a，

2)再根据上式解出b，再根据b的符号，确定是四种配置方式的哪一种，再通过解方程就可以完成电路设计。

随着电池供电系统越来越广泛的应用，单电源供电的运算放大器应用也越来越多。由于单电源供电存在偏置的问题，使得它的应用比双电源应用要复杂。1

波形发生器应用信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器，按照信号波形可分为正弦信号、函数信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类，电路的搭建可以采用由运算放大器及分离元件或是单片集成函数发生器构成。目前在市场上虽然已有功能齐全、性能指标较高、价格较贵的标准产品，但其许多功能在实际的教学实训中遭遇闲置，造成了资源的严重浪费。一般的运算放大器大多采用双电源供电方式，对供电条件要求较高。

以LM324为核心器件，采用单电源供电方式，通过“正弦波→方波→三角波”的思路，其中正弦波采用RC桥式振荡电路产生，再通过过零比较器产生方波，然后经过RC积分电路产生三角波，该方案采用单电源供电方式对电源的要求不高，可以减少功耗和成本实现电路结构简单，并能产生性能较好的正弦波、方波和三角波信号，振幅和频率稳定且调节范围较宽方便调试。

采用单电源向LM324供电，利用LM324中的四个运算放大器和外围电路一起实现信号的产生。其中一个运算放大器和外围元器件组成RC桥式振荡电路，产生正弦波信号，再通过其中一个运算放大器组成的电压跟随器保证正弦波信号的稳定输出，然后将输出的正弦波信号接另一个运算放大器输入的同相端，反相端接中点电位，组成过零比较器，输出方波信号，再将输出的方波信号通过下一个运算放大器和外围元器件组成的RC积分电路输出三角波信号。这样只需要利用一块LM324芯片和一些简单的外围电路实现振幅和频率稳定且调节范围较宽的正弦波信号、方波信号和三角波信号，达到“一箭三雕”的效果。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学