本文考慮將使用有源器件（例如運(yùn)算放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等）的系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為單電源供電的影響和性能權(quán)衡。（為使用雙極性電源實(shí)現(xiàn)最佳性能而設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)有源器件在單電源操作中固有的性能不佳，尤其是在較低電壓下。我們繼續(xù)觀察了幾個(gè)新產(chǎn)品系列在速度和動(dòng)態(tài)性能方面的優(yōu)勢(shì)，這些產(chǎn)品系列建立在專為單電源操作設(shè)計(jì)和表征的工藝之上。

人們不禁注意到，單電源設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)界變得非常流行，因?yàn)樗鼈兘档土顺杀?，并利用了?jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)字/混合信號(hào)設(shè)備中常用的廣泛可用的電源。許多經(jīng)典的高性能電路都是使用具有±15 V電源的運(yùn)算放大器開發(fā)的，但現(xiàn)在在（例如）高速視頻電路中需要在較低電壓下進(jìn)行單電源操作。為了最大限度地降低處理視頻信號(hào)時(shí)的功耗（通常僅為 1-2 伏峰峰值），使用 5V 單電源。但是，傳統(tǒng)的高速運(yùn)算放大器最初設(shè)計(jì)為在 ±15 V 電源下正常工作，現(xiàn)在必須在相當(dāng)?shù)偷碾妷合鹿ぷ?，并在中間電源偏置。然而，降低電源電壓會(huì)降低靜態(tài)電流，正如我們將看到的，這會(huì)對(duì)帶寬和壓擺率產(chǎn)生不利影響，并可能引入“裕量”問題。單電源供電不僅可取而且必不可少的另一個(gè)例子是便攜式電池供電設(shè)備。當(dāng)電池是主電源電壓時(shí)，最小靜態(tài)電流對(duì)于擴(kuò)展工作至關(guān)重要。電池供電系統(tǒng)將在本文的第二部分中詳細(xì)討論，該部分將出現(xiàn)在下一期的《模擬對(duì)話》中。

電池供電應(yīng)用的一個(gè)主要例子是“筆記本電腦”或“筆記本電腦”PC，其中低功耗、單電源設(shè)備是有利且必不可少的。十年前，誰能想到您可以隨身攜帶一個(gè)計(jì)算能力和內(nèi)存能力高達(dá)舊臺(tái)式 PC 10×的系統(tǒng)（尺寸和重量的 1/10！–并具有VGA彩色圖形顯示器，傳真/調(diào)制解調(diào)器和CD-ROM等增強(qiáng)功能，但能夠在不充電的情況下耗盡電池2-3小時(shí)！

設(shè)計(jì)（或轉(zhuǎn)換為）單電源系統(tǒng)的另一個(gè)動(dòng)機(jī)可能只是為了降低現(xiàn)有多電源設(shè)計(jì)的成本、復(fù)雜性和功耗。具有模擬和數(shù)字電路的傳統(tǒng)多電源設(shè)計(jì)通常需要±12 V或±15 V電源為運(yùn)算放大器供電，+5 V或+12 V電源驅(qū)動(dòng)TTL或CMOS邏輯電路，并且可能需要同時(shí)為A/D或D/A轉(zhuǎn)換器供電。使用現(xiàn)有的板載單電源電壓（通常為+5 V）為所有組件供電，可以消除對(duì)昂貴的DC-DC轉(zhuǎn)換器的需求，這可能會(huì)消耗大量的印刷電路板空間。例如，提供高達(dá)5 mA輸出電流的+15 V至±200 V直流-直流轉(zhuǎn)換器可能需要電路板上2英寸×2英寸的空間;具有 400mA 輸出的類似轉(zhuǎn)換器可能需要多達(dá) 2“ × 3.5” 的空間！

提高系統(tǒng)的可靠性是單電源操作的另一個(gè)不太明顯的優(yōu)勢(shì)。在遠(yuǎn)低于其最大額定值的電壓水平下工作的組件固有的使用壽命更長。在可靠性計(jì)算中，平均故障時(shí)間 （MTTF） 計(jì)算中包括應(yīng)力因子（設(shè)備工作電壓與其最大額定值之比）：最大額定值為 ±18 伏且工作電壓為 ±15 伏的放大器的應(yīng)力系數(shù)為 5/6，即 0.833;在+5 V下工作時(shí)，應(yīng)力系數(shù)降至5/36（= 0.139）。

在談到了單電源操作可能有益或必不可少的一些領(lǐng)域之后，讓我們更詳細(xì)地研究一些潛在的設(shè)計(jì)限制以及設(shè)計(jì)或轉(zhuǎn)換為單電源操作時(shí)可能的權(quán)衡。然后，我們將考慮產(chǎn)品、工藝和實(shí)踐，以克服在單電源設(shè)計(jì)中使用傳統(tǒng)器件時(shí)固有的速度和動(dòng)態(tài)限制。雖然在許多示例中使用運(yùn)算放大器作為我們的模型，但設(shè)計(jì)問題和性能權(quán)衡通常也適用于其他器件。

性能權(quán)衡

動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍可能是在單電源設(shè)計(jì)中使用傳統(tǒng)運(yùn)算放大器時(shí)最重要的權(quán)衡。動(dòng)態(tài)范圍減小會(huì)降低信噪比，最終限制可用的系統(tǒng)分辨率。例如，采用±15 V電源供電的傳統(tǒng)雙極性運(yùn)算放大器（圖1）通常需要在其最大輸入/輸出擺幅和電源軌之間具有1.5 V至3 V的固定“裕量”。該裕量由輸入級(jí)的NPN架構(gòu)和V決定中國經(jīng)社衛(wèi)星的輸出晶體管級(jí)，對(duì)于給定的輸出負(fù)載條件，并且隨電源電壓變化很小。運(yùn)算放大器采用 ±15 V 電源供電，輸入/輸出范圍為 ±13 V。

圖1.與電源電壓相關(guān)的裕量圖示。

如果電源電壓現(xiàn)在降至+5 V單電源（圖1右），則滿量程范圍嚴(yán)格限制在2 × （2.5 V – 2 V） = 1.0 V p-p，因?yàn)樵Ａ炕竟潭?。如果可以假設(shè)放大器的本底噪聲保持不變，則信號(hào)擺幅的減小會(huì)以相同的比例減小有效動(dòng)態(tài)范圍。

輸入失調(diào)電壓：降低電源電壓的另一個(gè)影響是放大器輸入失調(diào)電壓的偏移。問題源于這樣一個(gè)事實(shí)，即大多數(shù)典型工作范圍低至±4.5 V的傳統(tǒng)運(yùn)算放大器通常在特定的電源電壓（例如±15 V）下進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)其輸入失調(diào)進(jìn)行調(diào)整。降低電源電壓會(huì)導(dǎo)致輸入失調(diào)電壓發(fā)生偏移。失調(diào)電壓的偏移可以通過查看失調(diào)電壓規(guī)格的“電源抑制比”（PSRR）或“電源靈敏度”來確定;它提供了給定電源電壓變化的失調(diào)變化的度量。

例如，OP177在±20 V時(shí)的初始失調(diào)為15微伏，PSRR為1 μV/V。如果電源降至±5 V，失調(diào)變化如下：

初始輸入失調(diào)電壓 @ + -15 V + -20 μV 電源抑制誤差 + -20μV（1 μV/V× 20V 變化） ________
降額輸入失調(diào)電壓 + -40μV

地面參考：選擇合適的接地基準(zhǔn)也變得至關(guān)重要，因?yàn)閷?duì)于單個(gè)電源軌，根據(jù)應(yīng)用要求，“接地”可能位于電源范圍內(nèi)的任何地方。對(duì)于單側(cè)直流測(cè)量，負(fù)電源軌（-VS） 是一個(gè)很好的選擇，主要有兩個(gè)原因：

電源軌之間實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)范圍（在放大器的裕量要求范圍內(nèi)）

負(fù)電源軌為正電源電流提供低阻抗返回路徑

然而，對(duì)于雙極性直流測(cè)量或交流應(yīng)用，選擇并不那么簡(jiǎn)單。需要“偽”接地來處理“雙極性”電壓或交流波形在“零”值附近的交替偏移。這種偽接地（但不一定是最好的）的一個(gè)明顯選擇是位于正電源軌和負(fù)電源軌之間的中點(diǎn)?？梢酝ㄟ^多種方式創(chuàng)建此基礎(chǔ)。創(chuàng)建偽地的一種簡(jiǎn)單方法是使用電阻分壓器，如圖2所示。

圖2.簡(jiǎn)單的電阻接地參考。

這種方法存在幾個(gè)問題：由于電阻不匹配而導(dǎo)致的接地點(diǎn)不準(zhǔn)確、電阻漂移以及無法加載電路（圖 3）。正電源軌的變化也會(huì)移動(dòng)接地點(diǎn)。而且，也許最能說明問題的是，它只能用作輸入接地基準(zhǔn)，而不能用作輸出接地回路。

圖3.電阻接地基準(zhǔn)的等效電路。

第二種解決方案涉及使用齊納二極管或基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器（圖 4）。這消除了對(duì)電源軌的接地依賴;但是，齊納或穩(wěn)壓器電壓的選擇可能會(huì)受到限制。其較低的阻抗使其可用作負(fù)載范圍有限的輸出接地。

圖4.齊納二極管作為偽地。

也許最靈活的方法是等效于穩(wěn)壓器——將電阻分壓器或電阻齊納對(duì)（可能使用單通道或堆疊式1.23 V AD589）與具有適當(dāng)輸出電流范圍的低成本通用運(yùn)算放大器（用作低阻抗接地發(fā)生器）組合在一起。

圖5顯示了偽接地技術(shù)在設(shè)計(jì)50 Hz/60 Hz單電源陷波濾波器中的應(yīng)用。

圖5.單電源 50/60Hz 陷波濾波器。

軌到軌

一類具有極低裕量要求的特殊放大器，稱為軌到軌放大器，因其獨(dú)特的工作能力，可以在輸入和/或輸出范圍的極端情況下工作在地或接近地和/或接近正電源軌（在幾毫伏以內(nèi)）的情況下工作。這顯著地將系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍增加到幾乎整個(gè)電源電壓范圍。

傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器輸入設(shè)計(jì)（圖 6）采用 NPN 雙極結(jié)型晶體管 （BJT），具有高帶寬 （ft）、更低的噪聲和低漂移，但更高的電流消耗或結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET），具有非常高的輸入阻抗、非常低的泄漏（偏置）電流和低失真的優(yōu)點(diǎn)。

圖6.傳統(tǒng)的輸入級(jí)使用成對(duì)的BJT或JFET晶體管。

遺憾的是，這兩種設(shè)計(jì)都需要使用雙+和-電源電壓工作，并且在任一電源軌上都需要2-3伏的裕量，以便在其線性區(qū)域內(nèi)有效工作。

軌到軌放大器采用特殊的輸入結(jié)構(gòu)，使用背靠背 NPN 和 PNP 輸入晶體管以及雙折疊級(jí)聯(lián)電路，允許輸入達(dá)到任一供電軌的毫伏以內(nèi)。

圖7.軌到軌輸入級(jí)使用背靠背的互補(bǔ)晶體管對(duì)耦合到雙折疊級(jí)聯(lián)增益級(jí)（未顯示）。

傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的輸出級(jí)（圖8）使用以AB類操作排列的NPN-PNP發(fā)射極-跟隨器對(duì)。輸出擺幅受 V 限制是每個(gè)晶體管，加上串聯(lián)電阻兩端的IR壓降。軌到軌放大器輸出來自配置的NPN-PNP對(duì)的集電極，如圖8所示;輸出擺幅僅受 V 限制中國經(jīng)社衛(wèi)星的晶體管（可以低至幾毫伏，取決于集電極發(fā)射極電流），由R上，并按負(fù)載電流。

Figure 8. Conventional and rail-to-rail output stages.

An indication of how well a rail-to-rail amplifier performs is its ability to remain linear at or near zero volts. In the circuit of Figure 9a, the common-mode input to an OP90 is driven linearly through a 2.5-volt range from zero, and the amplifier is configured to multiply the resulting input error by 1000. The plot in (b) shows a small and essentially linear deviation over the 2.5-V range, without any hooks, bumps, or discontinuities, even in the vicinity of zero.

圖9.測(cè)試低軌附近的線性度。

表1比較了ADI公司用于軌到軌應(yīng)用的放大器規(guī)格。

帶寬、壓擺率： 除了降低電源電壓外，運(yùn)算放大器制造商還可以通過將器件設(shè)計(jì)為需要較少的靜態(tài)電源電流來進(jìn)一步降低功耗要求。電源電流不受電源電壓的強(qiáng)烈影響;它主要由內(nèi)部偏置電流控制，內(nèi)部偏置電流由設(shè)計(jì)人員在偏置電路中選擇的電阻確定。然而，一般來說，帶寬、壓擺率和噪聲規(guī)格會(huì)受到靜態(tài)電流降低的不利影響。例如，在給定電路中，電阻增加4×以降低靜態(tài)電流，可以使約翰遜噪聲加倍，而約翰遜噪聲與電阻的平方根成正比。

表 1.單電源放大器指南

單電源放大器指南，第 2 部分

對(duì)于直流到中低頻應(yīng)用，例如便攜式醫(yī)療、地質(zhì)或氣象設(shè)備，功耗是關(guān)鍵因素，帶寬降低不太重要。然而，為了降低功耗而在較低電源電壓下工作的視頻速度放大器，由于靜態(tài)電流降低，帶寬和壓擺率會(huì)降低。

這對(duì)高速、低功耗放大器的設(shè)計(jì)有什么限制？雖然帶寬確實(shí)與靜態(tài)電流或工作電流成正比，但帶寬與靜態(tài)電流的實(shí)際比MHz/mA（以及其他特性）是運(yùn)算放大器系列設(shè)計(jì)的特定制造工藝的函數(shù)。

圖10顯示了參考斜率，描述了ADI公司BiFET、互補(bǔ)雙極性（CB）和eXtra快速互補(bǔ)雙極性（XFCB）工藝的帶寬與靜態(tài)電流之間的典型關(guān)系，并具有代表性的產(chǎn)品類型。請(qǐng)注意，AD8011能夠提供300 MHz帶寬，同時(shí)采用+1 V單電源時(shí)最大靜態(tài)電流為0.5 mA（在2 kHz時(shí)僅產(chǎn)生10 nV/√Hz噪聲）。

圖 10.采用各種處理技術(shù)的IC運(yùn)算放大器的帶寬與靜態(tài)電源電流的關(guān)系

電源噪聲：電源線上的噪聲可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題，尤其是在測(cè)量低電平信號(hào)時(shí)。為了減少多電源系統(tǒng)中對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器或逆變器的需求，設(shè)計(jì)人員利用板載+5 V邏輯電源為運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電，使問題更加復(fù)雜。難點(diǎn)在于，除了必須通過變化的邏輯和時(shí)鐘狀態(tài)隨機(jī)確定輸出電流外，大多數(shù)邏輯電源都來自高效但噪聲大的開關(guān)電源。雖然精心設(shè)計(jì)的邏輯電路不太容易受到典型開關(guān)“尖峰”的影響，但運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可能會(huì)受到嚴(yán)重影響，因?yàn)榧夥蹇赡芡瑫r(shí)出現(xiàn)在電源軌和接地回路上。

需要注意的是，運(yùn)算放大器的PSRR（針對(duì)直流和低頻）會(huì)隨頻率而降低。來自電源的尖峰不僅會(huì)出現(xiàn)在放大器的輸出中，而且如果它們足夠大，它們可能會(huì)在放大器輸入級(jí)進(jìn)行整流并導(dǎo)致直流偏移。同樣，對(duì)于A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，開關(guān)尖峰會(huì)在其模擬部分引入誤差，甚至可能導(dǎo)致時(shí)鐘誤差。在所有情況下，防御措施都包括仔細(xì)注意電路板布局（層數(shù)、電路位置和軌道布線限制）、濾波、旁路、屏蔽和接地。

只需對(duì)高效LC噪聲濾波器進(jìn)行少量投資，即可在敏感電路的電源輸入端使用鐵氧體磁珠，如圖11a所示。圖11b說明了使用這種濾波器如何幾乎消除電源輸出端出現(xiàn)脈沖引起的“毛刺”和“尖峰”。

圖 11.濾波器以衰減電源尖峰。它應(yīng)該位于屏蔽電路區(qū)域的入口外。

我們?cè)谏厦嬗懻摿耸褂脝蝹€(gè)電源設(shè)計(jì)電路或系統(tǒng)時(shí)的優(yōu)勢(shì)和可能的性能權(quán)衡，以及有助于克服一些設(shè)計(jì)限制的產(chǎn)品和技術(shù)。

審核編輯：郭婷