单电源运放电路的偏置方法

大家好，我们使用运放的大多数情况都是以双电源的方式供电，因为这样就能够扩大输入信号的电压范围，且输入输出信号能够呈现正负对称的形式。但是，在一些特殊情况下若只能使用单电源供电，运放电路该怎么设计呢?答案很简单，提供偏置电压。

1偏置电压

单电源供电提供偏置的方法可以分为交流耦合与直流耦合两种。我们看看如何正确的选择参考电压，使得产生正确的输出。分析参考电压时主要用到叠加原理，将信号和参考看做两个信号源，利用叠加原理将两者经过运放后的结果相加。参考电压的选择主要考虑两个因素：

1、使输出信号的Vpp最大，充分利用运放的输出能力;

2、根据后级的直流电平要求来设计，确保本级的直流输出能满足后级输入。

使Vpp最大时，参考电压的选取跟运放输出范围直接相关，由于运放的输出不都是轨到轨的，所以不能都按输出直流在VCC/2来设定。应该按照输出直流分量在(Voutmax-Voutmin)/2位置来选择参考的电压，这样才能保证输出的Vpp最大。使本级的直流输出能满足后级输入时，从要求的输出直流分量反推出参考电压即可。例如运放作为ADC的输入缓冲时，由于某些型号的ADC对输入的共模电压(直流分量)有要求(例如1.8V或者1.5V)，选择参考电压时就要使运放的输出直流分量满足ADC的共模电压。

使本级的直流输出能满足后级输入时，从要求的输出直流分量反推出参考电压即可。例如运放作为ADC的输入缓冲时，由于某些型号的ADC对输入的共模电压(直流分量)有要求(例如1.8V或者1.5V)，选择参考电压时就要使运放的输出直流分量满足ADC的共模电压。

2直流耦合

我们先来看看在双电源供电下的情况：

图中可以看到当输入信号为正弦波时，经过反相放大，输入输出信号均以系统地0地位作为中心，正负半周进行波动。如果此时我们将上图的双电源的负电压直接改成GND，输入相同的信号，我们会看到如下图所示的输入输出波形，可以看到由于只有正电源供电，输出信号的负半周无法被输出，为了解决这个问题，我们可以在输入端加入一定的直流偏置，从而将整个输出电压抬高。

根据电路设计和叠加定理，我们得到：

为了使输出信号在VCC/2=2.5V上摆动，可以求得VREF=1.25V。输入输出信号波形图如下图所示。经过正确偏置的输出信号能以2.5V为中心，从而得到了最大的输出摆幅。

3交流耦合

当放大倍数较大或呈小数时，Vref难以取整。或当输入信号本身不是以GND为中心，而也带有直流偏置的时候，计算也会变得复杂。此时，如果我们对信号的直流信息不感兴趣，我们可以采用交流耦合的方式，更为简单的让输出在准确的VCC/2上摆动。

交流耦合方式通过在信号输入端加入耦合电容，形成一个高通滤波器，隔离直流信号，仅对交流信号起到放大作用。如下图显示了该电路的频响特性，可以看到当输入信号频率超过100Hz后，C1可以视为完全短路，此时交流信号的增益为G=0db。

为了让放大器的输出以VCC/2为中心，我们考察反相端的Vref对输出的贡献。

取Vref=2.5V，得到如下图的输入输出结果：

采用交流耦合时，无论Vin中是否带有直流分量VDC,交流耦合放大器会阻止VDC，而只放大交流信号，如下式所：

比如我们在仿真中设定Vin=0.5V+Vxfg1，可以得到如下的输入输出结果：

可以看到虽然信号(下方波形)的直流分量增加，由于C1的AC耦合，不影响输出的直流。