单电源运放线性放大电路的4种范例

propor

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分类专栏：硬件文章标签：单电源运放线性放大电路

于 2024-05-21 11:10:21 首次发布

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本文介绍单电源运放线性放大电路的4种范例。

单电源运放因为输入，输出电压受限于供电电压，通常需要对输入添加偏置电压，以保证输出电压在合理范围，本文根据单电源运放线性放大电路的4种形式，提供相应的模板，以辅助单电源运放线性放大电路的设计。

1.基本思想

运放线性放大电路的传递函数可以用一条直线方程来描述：

$y=\pm mx\pm b\, \, \, \, m> 0,b> 0$

其中，x为输入，y为输出

换句话说，我们需要采用运放线性放大某一信号，只要知道输入，输出范围，就可以唯一的确定m，b的值。根据m，b的正负号，排列组合共有4种形式，下面分别予以介绍。

2.范例

1)范例1： $V_{OUT}=mV_{IN}+b$

范例1的原理图如下图。

$V_{OUT}=V_{IN}\left ( \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right )\left (\frac{R_{F}+R_{G}}{R_{G}} \right )+V_{REF}\left ( \frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}} \right )\left (\frac{R_{F}+R_{G}}{R_{G}} \right )$

比较 $V_{OUT}=mV_{IN}+b$ 系数，可以得出

$\left\{\begin{matrix} m= \left ( \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right )\left (\frac{R_{F}+R_{G}}{R_{G}} \right ) \\ b= V_{REF}\left ( \frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}} \right )\left (\frac{R_{F}+R_{G}}{R_{G}} \right ) \end{matrix}\right.$

实际使用过程中，可按上述原理图进行设计，由设计输入，输出范围求得m，b的值，代入上式即可求得 $R_{1}$ ， $R_{2}$ ， $R_{F}$ ， $R_{G}$ 之间的关系，选定电阻值即可确定所有电阻参数。

2)范例2： $V_{OUT}=+mV_{IN}-b$

范例2的原理图如下图。

$V_{OUT}=V_{IN}\left (\frac{R_{F}+R_{G}+R_{1}||R_{2}}{R_{G}+R_{1}||R_{2}} \right )-V_{REF}\left ( \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right )\left ( \frac{R_{F}}{R_{G}+R_{1}||R_{2}} \right )$

比较 $V_{OUT}=mV_{IN}-b$ 系数，可以得出

$\left\{\begin{matrix} m= \left (\frac{R_{F}+R_{G}+R_{1}||R_{2}}{R_{G}+R_{1}||R_{2}} \right ) \\ b= V_{REF}\left ( \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right )\left ( \frac{R_{F}}{R_{G}+R_{1}||R_{2}} \right ) \end{matrix}\right.$

3)范例3： $V_{OUT}=-mV_{IN}+b$

范例3的原理图如下图。

$V_{OUT}=-V_{IN}\left ( \frac{R_{F}}{R_{G}} \right )+V_{REF}\left ( \frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}} \right )\left ( \frac{R_{F}+R_{G}}{R_{G}} \right )$

比较 $V_{OUT}=-mV_{IN}+b$ 系数，可以得出

$\left\{\begin{matrix} m=\frac{R_{F}}{R_{G}} \\ b= V_{REF}\left ( \frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}} \right )\left ( \frac{R_{F}+R_{G}}{R_{G}} \right ) \end{matrix}\right.$

4)范例4： $V_{OUT}=-mV_{IN}-b$

范例4的原理图如下图。

$V_{OUT}=-V_{IN}\frac{R_{F}}{R_{G1}} -V_{REF} \frac{R_{F}}{R_{G2}}$

比较 $V_{OUT}=-mV_{IN}-b$ 系数，可以得出

$\left\{\begin{matrix} m=\frac{R_{F}}{R_{G1}} \\ b= V_{REF} \frac{R_{F}}{R_{G2}} \end{matrix}\right.$

实际使用过程中，可按上述原理图进行设计，由设计输入，输出范围求得m，b的值，代入上式即可求得 $R_{F}$ ， $R_{G1}$ ， $R_{G2}$ 之间的关系，选定电阻值即可确定所有电阻参数。

3.案例

1)设计指标

$V_{IN}=-0.1V$ 时， $V_{OUT}=1V$

$V_{IN}=-1V$ 时， $V_{OUT}=6V$

$V_{CC}=V_{REF}=10V$

$R_{L}=100\Omega$

2)设计过程

根据输入，输出联立方程组：

$\left\{\begin{matrix} 1=\left (-0.1 \right )m+b \\ 6=\left (-1 \right )m+b \end{matrix}\right.$

求得：

$\left\{\begin{matrix} m=-5.56 \\ b=0.444 \end{matrix}\right.$

由m，b的符号可知，我们应该使用范例3的原理图。

$m=\frac{R_{F}}{R_{G}}=5.56$

令 $R_{G}=10k\Omega$ ，则 $R_{F}=55.6k\Omega$ ，采用电阻标称值，取 $R_{F}=56k\Omega$ 。

$b= V_{REF}\left ( \frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}} \right )\left ( \frac{R_{F}+R_{G}}{R_{G}} \right )=10\left (\frac{56+10}{10} \right )\left ( \frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}} \right )=0.444$