前言

运放作为模拟电路的主要器件之一，在供电方式上分为单电源供电和双电源供电两种。而单电源运放和双电源运放的区别与联系以及如何选择和转换运放的供电方式是运放运用过程中不可回避的基础知识。本文参考部分资料，分析和总结了上述知识点，并基于OPA836搭建了两阶高通滤波放大电路对所述知识点进行了简单的验证。

本文仿真基于Multisim；

一、运放之双电源供电和单电源供电

运放作为模拟电路的主要器件之一，其供电方式分为单电源供电和双电源供电两种，这是由运放的芯片结构所决定的。

最初，为满足信号放大线性度的要求，运放均采用双电源供电方式：一个正电源（ $+ V c c$ ），一个负电源（ $- V c c$ ）且绝对值相同；后来，随着产品对便携、低功耗的性能追求，逐渐推出了采用单电源供电方式的运放，以适应这种减少电源个数降低电源电压的节能需求，但原有的双电源供电功能仍然保留；

1. 如何区分单电源运放和双电源运放

在运放的datasheet上，
如果电源电压写的是（2.5V - 5.5V）或者（±1.25V - ±2.75V ），如OPAx836，则这个运放就是单电源运放，其既能够由单电源供电，也能够由双电源供电；
如果电源电压写的是（±15V），如LM741，则这个运放就是双电源运放，仅能采用双电源供电。

2. 单电源供电运放特性

由单电源供电的单电源运放，只能放大对地为正（同向输入）或为负（反向输入）的直流电压，若信号为输入为对地的交流信号时，则只能放大其正半波（同向输入）或负半波（反向输入），另一半波会因为截止而产生严重失真。

a）同相输入放大电路
单电源供电的同向输入运放要求输入电压不能为负
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b）反相输入放大电路
单电源供电的反向输入运放要求输入电压不能为正
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为了得到不失真的交流放大信号，需要在输入端叠加一个偏置电压，一般为 $1 / 2 V c c$ 。

3. 运放的两种供电模式转换

其实，在实际应用中，无论是单电源运放还是双电源运放都能采用单电源、双电源的供电模式。
具体使用方式如下：
① 在放大直流信号时，如果采用双电源运放，则最好选择正负双电源供电，否则输入信号幅度较小时，可能无法正常工作；如果采用单电源运放，则单电源供电或双电源供电都可以正常工作；
② 在放大交流信号时，无论是单电源运放还是双电源运放，采用正负双电源供电都可以正常工作；
③ 在放大交流信号时，无论是单电源运放还是双电源运放，简单的采用单电源供电都无法正常工作。对于单电源运放，表现为无法对信号的负半周放大（同向输入），而双电源运放则无法正常工作。要采用单电源，就需要所谓的“偏置电压”。而加偏置电压的结果是把供电所采用的单电源相对的变成“双电源”。
在这里插入图片描述

以同向输入放大为例，具体电路如上图：在输入点上加上Vcc/2的直流偏置电压。各点的电位： $V c c$ 是 $V c c$ ， $i n$ 是 $V c c / 2$ ， $- V c c$ 是GND。然后把各点的电位减去 $V c c / 2$ ，则 $V c c$ 是 $V c c / 2$ ， $i n$ 是0， $- V c c$ 是 $- V c c / 2$ ，相当于是“双电源”。
在真正的双电源供电中，输入端的电位相对于输入信号电压是0，动态电压是 $V c c$ 是 $+ V c c$ ， $i n$ 是 $0 ＋ V s$ ， $- V c c$ 是 $- V c c$ ，而偏置后的单电源供电是 $V c c$ 是 $+ V c c$ ， $i n$ 是 $V c c / 2 + V s$ ， $- V c c$ 是GND，相当于 $V c c$ 是 $V c c / 2$ ， $i n$ 是 $0 + V s$ ， $- V c c$ 是 $- V c c / 2$ ，与双电源供电相同，只是电压范围仅为双电源电压的一半，输出电压幅度相应会比较小。

4. 单端偏置的缺陷

在这里插入图片描述
如上图所示，仅对运放的一端增加了 $1 / 2 V c c$ 的对地偏置电压，另一端则直接接地，这存在以下问题：
① 在反向输入的情况下：理论输出为负，单电源运放的下限接近0V，因此输出电压也接近0V，信号严重失真；
② 在正向输入的情况下： $1 / 2 V c c$ 的偏置电压也被放大，叠加上交流放大信号后很容易超过电源电压，而该部分将不被放大，同样导致信号严重失真。
因此，运放工作在单端偏置电压的情况下，交流信号不能获得有效的放大倍数。

在针对交流信号放大的实际运放中，放大信号一端叠加偏置电压后，另一端也要叠加偏置电压，如下图
在这里插入图片描述
其中，采用耦合电容将运放电路和其他电路进行直流隔离，防止各部分直流电位的相互影响。

二、仿真验证

1. 两阶高通滤波放大电路（两端偏置）

描述：两阶高通滤波器截止频率为8.0kHz，因此源（V1+V4）中仅高频信号源V1通过，并被放大1+15/15倍。
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仿真波形如下：

2. 两阶高通滤波放大电路（单端偏置）

描述：两阶高通滤波器截止频率为8.0kHz，因此源（V1+V4）中仅高频信号源V1通过，在同向端加直流偏置电压（1.65V，即 $1 / 2 V c c$ ）,因此信号（ $1 / 2 V c c$ + V1）被一同放大1+15/15倍。超出电源电压，导致信号严重失真。
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3. 两阶高通滤波放大电路（单端偏置，增益k = 1）

描述：两阶高通滤波器截止频率为8.0kHz，因此源（V1+V4）中仅高频信号源V1通过，在同向端加直流偏置电压（1.65V，即 $1 / 2 V c c$ ）,因此信号（ $1 / 2 V c c$ + V1）被一同放大1+15/1500倍。未超出电源电压，信号不失真，但交流信号放大倍数受限。
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以上便是本文的全部内容，希望本文能对大家理解单电源运放、双电源运放及其供电方式的选择与转换有所帮助。
当然，本文内容如有错误或不严谨之处，也恳请大家及时指出，谢谢！

参考

单电源运放添加偏置电压的原因 - 越泽 - 博客园
运放的单电源供电与双电源供电的区别 - jkstdio.h的博客 - 博客频道 - CSDN.NET

单电源运放和双电源运放及其供电方式选择与转换的注意事项

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