什么時候用單電源運放？什么時候用雙電源運放？什么時候用軌至軌運放？-電路設(shè)計困惑點

Part 01、前言

打開運算放大器的規(guī)格書，我們會發(fā)現(xiàn)運算放大器的工作電源電壓范圍是正負電壓值，不像其他的IC一般都是正電壓供電，比如+3.3V或者+5V，那我們什么時候用單正電源給運放供電呢？又什么時候用雙正負電源給運放供電呢？同時運放又分為普通運放和軌至軌運放，我們什么時候用普通運放？什么時候用軌至軌運放呢？接下來就詳細說明一下。

Part 02、單電源，雙電源供電怎么選？

我們以電壓跟隨器電路為例，輸出電壓等于輸入電壓。當輸入電壓正向增加時，當輸入電壓在接近但沒達到正電源的某個電壓值時，輸出電壓將無法隨著輸入電壓增加而增加。當輸入電壓在接近但沒達到負電源的某個電壓值時，輸出電壓將無法隨著輸入電壓減小而減小。比如運算放大器如果允許輸出在電源1V范圍內(nèi)擺動，從而可以在±15V電源下輸出–14V至 +14V。

對于由單個+30V電源供電的電壓跟隨器電路而言。我們假定運算放大器還是允許輸出在電源1V范圍內(nèi)擺動，這意味著只要輸入距離運算放大器任一電源端子不小于1V，輸出就能夠跟隨輸入變化。對應(yīng)電路的可用輸出范圍為+1V至+29V。

所以總結(jié)來說，如果你的輸入電壓既有正電壓值，又有負電壓值，那么就需要用雙電源（正負電源）為運放供電。當然還有一種解決方案是為輸入的正負電壓加一個偏置電壓把正負輸入電壓變?yōu)檎妷簛韺崿F(xiàn)用單電源供電的運放采集正負輸入電壓的作用，比如下面的差動放大電路，通過Ref偏置電壓把正負輸入電壓變?yōu)檎妷?，但是缺點也很明顯，就是當輸入為0V時，輸出相對GND而言很難達到絕對的0V，比如是0.01V，如果Vout后面又接了一級放大電路，如果放大倍數(shù)是100倍，那0.01V就會被放大成1V。這影響可是災(zāi)難級的。

在+3.3V或+5V電源系統(tǒng)中，運放單電源供電設(shè)計減少了電源管理復(fù)雜性和成本，因為少了一個負電源，適合處理傳感器輸出在地電位（0V）以上的信號。

運放雙電源供電設(shè)計輸出信號可以跨越正負電源電壓，輸入信號范圍通常更寬。對需要處理負信號的場景更為適合，在高精度和寬動態(tài)范圍的應(yīng)用（比如儀器儀表電路）中使用，雙電源設(shè)計使運放避免接近單電源供電的上下限，從而降低失真，在高速信號處理電路中，雙電源可以提供更大的帶寬和輸出擺幅。

Part 03、普通運放，軌至軌運放怎么選？

我們關(guān)注兩點即可，運放的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍是需求是怎么樣的？軌至軌運放的輸入電壓可以等于甚至略微超出電源電壓軌（如0V和 +5V）。運放的輸入級采用特定的拓撲結(jié)構(gòu)（如NPN和PNP雙極輸入對或 CMOS互補輸入對），以覆蓋整個供電范圍?？梢灾苯舆B接到傳感器輸出或其他與電源軌接近的信號源，無需額外的偏置或調(diào)整電路。

軌至軌輸出的輸出電壓可以接近電源電壓軌（通常距離軌電壓10mV 至 100mV）。運放的輸出級通常采用共源極或共射極電路，以最大化輸出擺幅接近供電電壓。最大化信號擺幅，在低電源電壓下（如 3.3V 或 5V）仍能提供足夠的動態(tài)范圍。

在單電源 +5V、+3.3V 或更低電壓的系統(tǒng)中，軌至軌特性充分利用有限的電源范圍。在需要高精度放大的應(yīng)用中，軌至軌特性避免信號失真，特別是在信號范圍接近電源軌時。但是需要注意雖然輸出接近電源軌，但仍有一定限制（如 10mV-100mV），可能需要后續(xù)級放大調(diào)整。某些軌至軌運放為實現(xiàn)全擺幅特性可能犧牲帶寬或增益，需根據(jù)具體應(yīng)用選擇型號。軌至軌運放的設(shè)計初衷是解決低電壓系統(tǒng)中信號動態(tài)范圍不足的問題，但是需權(quán)衡軌至軌特性與增益帶寬、輸入偏置電流等參數(shù)的相互影響。

所以如果你不需要以上軌至軌運放的特性，那你就可以選擇普通運放即可。

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