如何将双电源运放电路改为单电源电路.docx

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如何将双电源运放电路改为单电源电路

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如何将双电源运放电路改为单电源电路

所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC－，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。

这是因为有些数据手册的作者将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。

但是，这并不是说他们就一定要那样使用DD他们可能可以工作在其他的电压下。

在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。

绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图1左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。

一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。

输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。

单电源供电的电路（图1中右）运放的电源脚连接到正电源和地。

正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。

将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom之内。

有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。

这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh和Vol。

需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。

图1通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。

另外现在运放的供电电压也可以是3V也或者会更低。

出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail的运放（如AD820、AD822、AD824），这样就消除了丢失的动态范围。

需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail的电压。

虽然器件被指明是轨至轨（Rail－To－Rail）的，如果运放的输出或者输入不支持轨至轨，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是轨至轨。

双电源互补对称电路-电子技术

双电源互补电路又称为无输出电容电路，简称OCL电路

（一）电路组成

（二）分析计算1.输出功率若输入的正弦信号的幅度足够大，并忽略管子的饱和压降UCES，则RL上最大的输出电压幅度Ucem=VCC。

在理想条件下，最大输出功率为：

2.效率输出功率占电源供给的比率称为效率

在理想条件下，Ucem=VCC，则最大效率为:

3.功率管的选择消耗在晶体管的功率PT=PV-PO，由于PO与PV均与信号的幅值有关，故PT也随之变化令

输出功率最大（即K=1）时，总管耗约为0.27POM。

功率管的有关参数应满足下列条件

（1）每只功率管的最大管耗

（2）功率管c-e极间的最大压降为2VCC，所以应选（3）功率管的最大集电极电流为VCC/RL，因此晶体管的ICM不宜低于此值。

例题：

电路如图所示，UCES=2V，试计算这个电路的最大不失真输出功率，此时的效率和管耗各是多少，最大管耗是多少？

该电路最大不失真输出功率解：

电源提供功率

管耗最大管耗

对称三相电源与对称三相电路和对称三相负载-电工基础

1、对称三相电源

【对称三相电源】三个频率相同、幅值相同、相位彼此相差同一个角度的电压源，称为一组对称三相电源，分别称为A（或a）相、B（或b）相、C（或c）相电源。

【正序对称三相电源】正序对称三相电源A、B、C相的相位关系为：

B相滞后A相，C相滞后B相，即

表示为相量

正序对称三相电源满足或

【负序对称三相电源】负序对称三相电源A、B、C相的相位关系为：

B相超前A相，C相超前B相，即

表示为相量

负序对称三相电源亦满足或。

【零序对称三相电源】零序对称三相电源A、B、C三相电压同相位。

【三相电源的连接方式】三个电压源通常联成星形（Y形）或三角形（形），如图11-1-1所示。

（a）星形（Y形）连接的三相电源（b）三角形（形）连接的三相电源

图11-1-1三相电源的连接方式

2、对称三相负载

【三相负载】三相电路的负载有单相负载和三相负载之分。

三相负载可以视为连接成星形或三角形的阻抗，如图11-1-2所示，分别称为A相、B相、C相负载。

三个单相负载亦可连接成三相负载。

【对称三相负载】当时，为对称三相负载。

三相电动机为对称三相负载，白炽灯、单相电动机等为单相负载。

3、对称三相电路

【对称三相电路】对称三相电路由对称三相电源、对称三相负载、对称三相输电线路（三条输电线路阻抗相同）构成，如图11-1-3所示。

【端线（火线）】三相输电线aA、bB、cC为端线，俗称火线。

为端线阻抗。

【中线（零线）】nN为中线，俗称零线。

【中性点】n为电源侧中性点，N为负载侧中性点。

为中线阻抗。

【对称三相电路的连接方式】对称三相电路依“电源-负载”连接方式分为：

、、、、五种连接方式。

图11-1-3为连接，当时为连接。

直流电源输入防反接保护电路-电子技术

防反接保护电路

1，通常情况下直流电源输入防反接保护电路是利用二极管的单向导电性来实现防反接保护。

如下图1示：

这种接法简单可靠，但当输入大电流的情况下功耗影响是非常大的。

以输入电流额定值达到2A,如选用Onsemi的快速恢复二极管MUR3020PT，额定管压降为0.7V，那么功耗至少也要达到：

Pd＝2A×0.7V＝1.4W，这样效率低，发热量大，要加散热器。

2,另外还可以用二极管桥对输入做整流，这样电路就永远有正确的极性（图2）。

这些方案的缺点是，二极管上的压降会消耗能量。

输入电流为2A时，图1中的电路功耗为1.4W，图2中电路的功耗为2.8W。

图1一只串联二极管保护系统不受反向极性影响，二极管有0.7V的压降

图2是一个桥式整流器，不论什么极性都可以正常工作，但是有两个二极管导通，功耗是图1的两倍.

利用MOS管的开关特性，控制电路的导通和断开来设计防反接保护电路，由于功率MOS管的内阻很小，解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。

MOS管型防反接保护电路

图3利用了MOS管的开关特性，控制电路的导通和断开来设计防反接保护电路，由于功率MOS管的内阻很小，现在MOSFETRds（on）已经能够做到毫欧级，解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。

极性反接保护将保护用场效应管与被保护电路串联连接。

保护用场效应管为PMOS场效应管或NMOS场效应管。

若为PMOS，其栅极和源极分别连接被保护电路的接地端和电源端，其漏极连接被保护电路中PMOS元件的衬底。

若是NMOS，其栅极和源极分别连接被保护电路的电源端和接地端，其漏极连接被保护电路中NMOS元件的衬底。

一旦被保护电路的电源极性反接，保护用场效应管会形成断路，防止电流烧毁电路中的场效应管元件，保护整体电路。

具体N沟道MOS管防反接保护电路电路如图3示。

图3.NMOS管型防反接保护电路

N沟道MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电阻R1为MOS管提供电压偏置，利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开，从而防止电源反接给负载带来损坏。

正接时候，R1提供VGS电压，MOS饱和导通。

反接的时候MOS不能导通，所以起到防反接作用。

功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ实际损耗很小，2A的电流，功耗为（2×2）×0.02=0.08W根本不用外加散热片。

解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。

VZ1为稳压管防止栅源电压过高击穿mos管。

NMOS管的导通电阻比PMOS的小，最好选NMOS。

NMOS管接在电源的负极，栅极高电平导通。

PMOS管接在电源的正极，栅极低电平导通。

直流稳压电源的稳压电路-电源

1．稳压电路的功能维持输出直流电压稳定，使其不随电源电压和负载电流的变化而变化。

2．稳压电路的主要技术指标

（1）稳压系数

（2）输出电阻

（3）输出电压的温度系数

3．串联型线性稳压电路

（1）电路组成串联型线性稳压电路如图1所示。

它由基准环节、取样环节、比较放大环节和调整环节组成。

实际上，串联型线性稳压电源就是一个电压串联负反馈电路。

图1串联型线性稳压电路的组成

（2）输出电压及其调节范围

（3）电路的主要特点①电压稳定度高、纹波电压小、响应速度快。

②输出电压可调，输出电流范围较大，输出电阻小。

③调整管工作在线性状态，管压降较大（通常在3~5V之间），电路的功率变换效率较低，约30%~50%。

（4）线性集成稳压器线性集成稳压器的电路结构与工作原理与图1所示电路类似。

表1列出了几种常用的线性集成稳压器及其特点。

表1几种常用的线性集成稳压器及其特点

名称

主要特点

三端集成稳压器

输出电

压可调

LM317，LM117

输出正电压

调整管工作在线性状态，管压降较大，效率低。

LM337，LM137

输出负电压

输出电

压固定

LM78××

输出正电压

LM79××

输出负电压

低压差线性集成稳压器

1.调整管工作于临界饱和状态。

2.管压降最小。

3.电路的效率很高。

4．高精度基准电压源该类基准电压源具有精度高、噪声低、温漂系数小、长期稳定度好等特点，但输出电流比较小，一般只有几毫安到几十毫安。

广泛应用于稳压电路、数据转换（A/D、D/A）及大多数传感器等电路之中。

5．开关型稳压电路当稳压电源中的调整管在控制脉冲作用下，工作于开关状态，通过适当调整开通和关断的时间，可使输出电压稳定的稳压电源称为开关稳压电源。

调整管开通和关断时间的控制方式有两种，一种是固定开关频率，控制脉冲宽度（PWM――脉冲宽度调制）；一种是固定脉冲宽度，控制开关频率（PFM――脉冲频率调制）。

无论是那一种控制方式，开关稳压电源仍然是一个负反馈控制系统。

开关型稳压电路有以下几个主要特点①调整管在控制脉冲的作用下工作于开关状态，功耗低，电源的功率转换效率高，约60%~80%，甚至可高达90%以上。

②由于控制脉冲的频率高，一般在几十千赫兹以上，所以滤波电感、电容的数值较小。

故大多数开关电源没有工频电源变压器，体积小，重量轻。

③电路的其它性能指标略低于线性电源。

电源为Δ接时对称三相电路的计算（ΔCY，ΔCΔ）-电工基础

1.ΔCY接法（有无端线阻抗方法一样）的计算

再根据上述ΔCΔ接方法计算 2.不考虑端线阻抗时ΔCΔ接法计算  取A相求相电流    由对称性，得出其它两相的电压、电流。

 3.考虑端线阻抗时ΔCΔ接法计算  对称ΔCΔ电路的计算步骤：

（1）根据星形和三角形的等效互换公式，将其化成对称的Y－Y三相电路。

（2）用一相计算方法（A相）求Y－Y电路的线电流iA。

 （3）根据得负载对称的相电流iAB，iBC，iCA。

 （4）进而求得：

负载对称的相（.线）电压:

uAB，uBC，uCA。

  例1.已知对称三相电源的线电压为380V，对称负载Z＝100＜30０Ω，求线电流。

  解：

 方法1：

取A相求相电流。

  方法2：

化为YCY。

  连接中线Nn，取A相为例计算  例2.已知对称三相电源线电压为380V，Z=（6.4+j4.8）Ω，Zl=（3+j4）Ω。

求负载Z的相电压、线电压和电流。

   解：

    求出一相电路的电压和电流后，根据对称性求出其它量。

 对称三相电路的一般计算方法：

（1）将所有三相电源、负载都化为等值Y连接； 

（2）连接各负载和电源中点，中线上若有阻抗则不计； （3）画出单相计算电路，求出一相的电压、电流：

 （4）根据Δ接、Y接时线量、相量之间的关系，求出原电路的电流电压； （5）由对称性，得出其它两相的电压、电流。

含受控电源的电阻电路-电工基础

一、受控电源：

在电路中起电源作用,但其大小和方向受电路中其它支路的电流或电压控制,这种电源称为受控电源,简称受控源。

电源的输出大小不受其它电路的影响，此类电源称为独立电源。

二、含受控源电阻电路的分析例用支路电流法计算图中各支路电流。

解

同时

例用节点电位法求图中电路电位Va和Vb

应用叠加原理求图中电压U

十大金律轻松搞定DCDC电源转换电路设计-电源

第一条、搞懂DC/DC电源怎么回事

DC/DC电源电路又称为DC/DC转换电路，其主要功能就是进行输入输出电压转换。

一般我们把输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC/DC转换。

常见的电源主要分为车载与通讯系列和通用工业与消费系列，前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等，后者使用的电源电压一般在24V以下。

不同应用领域规律不同，如PC中常用的是12V、5V、3.3V，模拟电路电源常用5V15V，数字电路常用3.3V等，现在的FPGA、DSP还用2V以下的电压，诸如1.8V、1.5V、1.2V等。

在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。

第二条、需要知道的DC/DC转换电路分类

DC/DC转换电路主要分为以下三大类：

①稳压管稳压电路。

②线性（模拟）稳压电路。

③开关型稳压电路

第三条、最简单的稳压管电路设计方案

稳压管稳压电路电路结构简单，但是带负载能力差，输出功率小，一般只为芯片提供基准电压，不做电源使用。

选择稳压管时一般可按下述式子估算：

（1）Uz=Vout;

（2）Izmax=（1.5-3）ILmax（3）Vin=（2-3）Vout这种电路结构简单，可以抑制输入电压的扰动，但由于受到稳压管最大工作电流限制，同时输出电压又不能任意调节，因此该电路适应于输出电压不需调节，负载电流小，要求不高的场合，该电路常用作对供电电压要求不高的芯片供电。

第四条、基准电压源芯片稳压电路

稳压电路的另一种形式，有些芯片对供电电压要求比较高，例如ADDA芯片的基准电压等，这时常用的一些电压基准芯片如TL431、MC1403,REF02等。

TL431是最常用基准源芯片，有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。

最常用的电路应用如下图示，此时Vo=（1+R1/R2）Vref。

选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。

其他的几个基准电压源芯片电路类似。

第五条、串联型稳压电源的电路认识

串联型稳压电路属直流稳压电源中的一种，其实是在三端稳压器出现之前比较常用的直流供电方法，在三端稳压器出现之前，串联稳压器通常有OP放大器和稳压二极管构成误差检测电路，如下图，该电路中，OP放大器的反向输入端子与输出电压的检测信号相连，正向输入端子与基准电压Vref相连，Vs=Vout*R2/（R1+R2）.由于放大信号ΔVs为负值，控制晶体管的基级电压下降，因此输出电压减小在正常情况下，必有Vref=Vs=Vout*R2/（R1+R2），调整R1，R2之比可设定所需要的输出电压值。

图中所示只是这也是三端稳压器的基本原理，其实负载大小可以可以把三极管换成达林顿管等等，这种串联型稳压电路做组成的直流稳压电源处理不当，极易产生振荡。

现在没有一定模拟功底的工程师，一般现在不用这种方法，而是直接采用集成的三端稳压电路，进行DC/DC转换电路的使用。

第六条、线性（模拟）集成稳压电路常用设计方案

线性稳压电路设计方案主要以三端集成稳压器为主。

三端稳压器，主要有两种：

一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，三端稳压器的通用产品有78系列（正电源）和79系列（负电源），输出电压由具体型号中的后面两个数字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等档次。

输出电流以78（或79）后面加字母来区分。

L表示0.1A,M表示0.5A，无字母表示1.5A，如78L05表求5V0.1A。

另一种输出电压是可调的线性稳压电路，称为可调输出三端稳压器，这类芯片代表是是LM317（正输出）和LM337（负输出）系列。

其最大输入输出极限差值在40V，输出电压为1.2V-35V（-1.2V--35V）连续可调，输出电流为0.5-1.5A，输出端与调整端之间电压在1.25V，调整端静态电流为50uA。

其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。

在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。

第七条、DCDC转换开关型稳压电路设计方案

上面所述的几种DCDC转换电路都属于串联反馈式稳压电路，在此种工作模式中集成稳压器中调整管工作在线性放大状态，因此当负载电流大时，损耗比较大，即转换效率不高。

因此使用集成稳压器的电源电路功率都不会很大，一般只有2-3W，这种设计方案仅适合于小功率电源电路。

采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高，适用于较大功率电源电路。

目前得到了广泛的应用，常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。

DCDC转换开关型稳压电路设计方案，采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高，适用于较大功率电源电路。

目前得到了广泛的应用，常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。

当然开关电源基本的拓扑包括降压型、升压型、升降压型及反激、正激、桥式变化等等。

非隔离式DCDC开关转换电路设计方案。

隔离式DCDC开关转换电路设计方案。

第八条、非隔离式DCDC开关转换集成电路芯片电路设计方案

DCDC开关转换集成电路芯片，这类芯片的使用方法与第六条中的LM317非常相似，这里用L4960举例说明，一般是先使用50Hz电源变压器进行AC-AC变换，将～220V降至开关电源集成转换芯片输入电压范围比如1.2～34V，由L4960进行DC-DC变换，这时输出电压的变化范围下可调至5V，上调至40V，最大输出电流可达2.5A（还可以接大功率开关管进行扩流），并且内设完善的保护功能，如过流保护、过热保护等。

尽管L4960的使用方法与LM317差不多，但开关电源的L4960与线性电源的LM317相比，效率不可同曰而语，L4960最大可输出100W的功率（Pmax=40V*2.5A=100W），但本身最多只消耗7W，所以散热器很小，制作容易。

与L4960类似的还有L296，其基本参数与L4960相同，只是最大输出电流可高达4A，且具有更多的保护功能，封装形式也不一样。

这样的芯片比较多，比如，LM2576系列，TPS54350，LTC3770等等。

一般在使用这些芯片时，厂家都会详细的使用说明和典型电路供参考。

第九条、隔离的DCDC开关电源模块电路设计方案

常用的隔离DC/DC转换主要分为三大类：

1.反激式变换。

2.正激式变换。

3.桥式变换

常用的单端反激式DC/DC变换电路，这类隔离的控制芯片型号也不少。

控制芯片典型代表是常用的UC3842系列。

这种是高性能固定频率电流的控制器，主要用于隔离AC/DC、DC/DC转换电路。

其主要应用原理是：

电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4部分组成。

主电路采用单端反激式拓扑，它是升降压斩波电路演变后加隔离变压器构成的，该电路具有结构简单，效率高，输入电压范围宽等优点。

控制电路是整个开关电源的核心，控制的好坏直接决定了电源整体性能。

这个电路采用峰值电流型双环控制，即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。

这类方案选择合适的变压器及MOS管可以把功率做的很大，与前面几种设计方案相比电路结构复杂，元器件参数确定比较困难，开发成本较高，因此需要此方案时可以优先选择市面上比较廉价的DC/DC隔离模块。

第十条、DCDC开关集成电源模块方案

很多微处理器和数字信号处理器（DSP）都需要内核电源和一个输入/输出（I/O）电源，这些电源在启动时必须排序。

设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和I/O电压源的相对电压和时序，以符合制造商规定的性能规格。

如果没有正确的电源排序，就可能出现闭锁或过高的电流消耗，这可能导致微处理器I/O端口或存储器、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）或数据转换器等支持器件的I/O端口损坏。

为了确保内核电压正确偏置之前不驱动I/O负载，内核电源和I/O电源跟踪是必需的。

现在有专门的电源模块公司量身定做一些专用的开关电源模块，主要是那些对除去常规电性能指标以外，对其体积小，功率密度高，转换效率高，发热少，平均无故障工作时间长，可靠性好，更低成本更高性能的DC/DC电源模块。

这些模块结合了实现即插即用（plug-and-play）解决方案所需的大部分或全部组件，可以取代多达40个不同的组件。

这样就简化了集成并加速了设计，同时可减少电源管理部分的占板空间。

最传统和最常见的非隔离式DC/DC电源模块仍是单列直插（SiP）封装。

这些开放框架的解决方案的确在减少设计复杂性方面取得了进展。

然而，最简单的是在印刷电路板上使用标准封装的组件。

第十一条、DCDC电源转换方案的选择注意事项

本条金律也是本文的总结，很重要。

本文这里主要大致介绍了DCDC电源转换的稳压管稳压、线性（模拟）稳压、DCDC开关型稳压三种电路模式的几种常用的设计方法方案。

①需要注意的是稳压管稳压电路不能做电源使用，只能用于没有功率要求的芯片供电;②线性稳压电路电路结构简单，但由于转化效率低，因此只能用于小功率稳压电源中;③开关型稳压电路转化效率高，可以应用在大功率场合，但其局限性在电路结构相对复杂（尤其是大功率电路），不利于小型化。

因此在设计过程中，可根据实际需要选择合适的设计方案。

开关电源常用的几种软启动电路-电源

开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤波电路。

在输入电路合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时冲击电流（如图1所示），特别是大功率开关电源，其输入采用较大容量的滤波电容器，其冲击电流可达100A以上。

在电源接通瞬间如此大的冲击电流幅值，往往会导致输入熔断器烧断，有时甚至将合闸开关的触点烧坏，轻者也会使空气开关合不上闸，上述原因均会造成开关电源无法正常投入。

为此几乎所有的开关电源在其输入电路设置防止冲击电流的`软起动电路，以保证开关电源正常而可靠的运行。

本文介绍了几种常用的软启动电路。

图1合闸瞬间滤波电容电流波形

（1）采用功率热敏电阻电路

热敏电阻防冲击电流电路如图2所示。

它利用热敏电阻的Rt的负温度系数特性，在电源接通瞬间，热敏电阻的阻值较大，达到限制冲击电流的作用；当热敏电阻流过较大电流时，电阻发热而使其阻值变小，电路处于正常工作状态。

采用热敏电阻防止冲击电流一般适用于小功率开关电源，由于热敏电阻的热惯性，重新恢复高阻需要时间，故对于电源断电后又需要很快接通的情况，有时起不到限流作用。

图2采用热敏电阻电路

（2）采用SCR-R电路

该电路如图3所示。

在电源瞬时接通时，输入电压经整流桥VD1?

VD4和限流电阻R对电容器C充电。

当电容器C充电到约80％的额定电压时，逆变器正常工作，经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号，使晶闸管导通并短路限流电阻R，开关电源处于正常运行状态。

图3采用SCR-R电路这种限流电路存在如下问题：

当电源瞬时断电后，由于电容器C上的电压不能突变，其上仍有断电前的充电电压，逆变器可能还处于工作状态，保持晶闸管继续导通，此时若马上重新接通输入电源，会同样起不到防止冲击电流的作用。

（3）具有断电检测的SCR-R电路

该电路如图4所示。

它是图3的改进型电路，VD5、VD6、VT1、RB、CB组