運算放大器的操作,絕大部分都需要純淨、穩定的直流電源;電池是合乎要求,但是價錢較昂貴,通常只用於攜帶式的裝備,於沒有商用的的交流電供應處使用。供應運算放大器電源的經濟方式,是把一般的交流電轉換成可用的直流電,在本文中,我們來論述幾種適合運算放大器的基本式電源供應。
對稱性
大部分的運算放大器需要對稱的正負電源,運算放大器的包裝外殼有V+ V-兩接腳,如果所加的電壓對輸入信號的地電位(或是對「虛」地Artificial ground)而言是不對稱的,則運算放大器的輸出信號(不管是否有輸入),都有直流成分,量的多寡則與電源的不對稱量成比例,若所要放大的信號是直流的,就造成誤差,若是要放大交流信號,需以電容交連,以免影響次級電路之偏壓,而且信號的擺幅較大時,會產生不對稱的截割現象。有兩種基本型式的電源供運算放大器使用一雙極電源與單端電源,雙極電源有絕對值相等但極性相反的正負電壓,單端電源僅有一個正或負的電壓。
電源的地是電能的傳輸路徑,為了獲得一個參考點,有時利用兩個相等的電阻分壓以得到電源的中點,當作輸入信號的虛地,以提供線路所需的對稱性(譯註:先跳過以下的敘述,參閱圖7就可明白其含意)。雙極性電源的地已在電源的中點,所以信號的地即是真正的地電位,這能簡化電路的設計並省略了許多交連電容,然而雙極電源是比較複雜和價昂,單端電源簡單却使運算放大器的電路較複雜,讓我們檢視一些基本的供電方式,看它們如何用於運算放大器之上。
基本電源供應
圖1(A)是基本型單端電源,圖1(B)是雙極電源,A圖中D1~D4為橋式整流器,全波整流後的電壓經由濾波電容C1的作用,使電壓成為平滑可用的直流電。R1是洩流電阻,電源關閉時,C1儲存的電能由R1耗去。R2 R3等值,分壓得輸出電壓的中點,以此作為虛地。運算放大器證電壓接腳連至V+,負電壓接腳連至V-(亦是真正的電源地)。信號自虛地點輸入,藉交連電容之助,能得到對稱的放大信號而不含直流成分。雙極電源和單端電源的差異是使用有中間抽頭的變壓器及兩個濾波電容,亦不必以電阻分壓得到虛地。B圖中,橋式整流D1~D4對C1充以正電,C2充以負電,變壓器中間接頭與地相接,從地電位衡量,正負電壓是對稱的。
運算放大器所消耗的電流極小(2~5mA左右),雙極電源所用的變壓器輸出電流的能力在300mA即可,但通常這種規格的小變壓器是沒有中間抽頭的,圖2提供一個解決的方法,使用無中間抽頭的變壓器作雙極電源。它可視為兩個半波整流器,要注意次級線圈的電壓值只取原來的一半。(若原變壓器為12-0-12,則改用0-12的變壓器)圖1B和圖2的差異是若兩者要有相等的交流紋波排斥率,圖2所用的電容量必須是圖1B的兩倍,因為圖1B是全波整流,文波頻率120Hz/sec,圖2是半波整流,紋波頻率60Hz/sec。(譯註:以圖說明,實線是整流後,虛線則表示加入濾波電容後的電壓波形)。
電子式濾波
如果使用小量電流,上述任一種電源,都僅有的紋波混於直流電壓,但在某些應用上,即使是很小的紋波也會造成影響,若以一個Zener二極體連接至圖1及圖2中簡單電源的輸出端,紋波可被大量的抑制,Zener二極體的作用不只是相當於幾千微法拉的電容,而且所佔的空間很少,對電壓穩定是很有益處的。
圖3繪出電子式濾波的正電源,整流濾波後的電壓送至左邊的輸入端,C1被充電,電壓升至Zener二極體的崩潰電壓時,Zener二極體導通,吸收C1的充電電流,而使電壓固定於Zener二極體的崩潰電壓,Q1的基極電壓亦就是定值,輸出電壓(射極電壓)為崩潰電壓減去0.6V。Q1是射極隨耦器,其電流放大率,使電容C1增加了同等倍率的電容作用,C2則用以吸收暫態的電壓變化,R1 C1的時間常數,令輸出電壓有緩緩上升至定值的特性,消除了輸送途徑中不必要的暫態衝擊。只要把有極性的組件其極性顛倒,本來C1的正極接在Q1的基極,改成負極與基極相接,Q1為NPN型改為PNP型......能得到對應的負電源如圖4。
使用實例
圖5是供運算放大器在音頻範圍操作時所用之雙極性電源,它為圖2和4的組合加上一些元件,即使是高增益操作時,在大部分應用中,輸出電壓所含的哼聲和紋波均小至可忽略。唯應注意變壓器的位置,使其進亮遠離高增益部分的電路,並選擇一個使感應量最小的方向擺設。
整流二極體D1 D2的電流規格是3A,R1的作用是限流,以免開啟時,大濾波電容的瞬間充電電流可能損壞二極體。事實上,300mA等級的變壓器,其次級線圈之直流電阻,已足以防止3A的二極體損壞,但若使用1A的二極體或大電流的變壓器,次級線圈的電阻很小(也許兩樣都包括),電路中加入R1較好,這個電阻的值可經由測量次級線圈的電阻並利用歐姆定律以決定。(譯註:設次級線圈峯值電壓Vp,二極體的電流規格 I,次級線圈電阻Rs,濾波電容視為短路,所需的總限流電阻Rt=Vp/I,應加入的限流電阻R1=Rt-Rs,若R1為負,則表示Rs已夠大,不需要R1了。)與D1 D2並聯的0.1μf陶瓷電容是用以壓抑二極體於導通─關閉狀態變化的瞬間尖銳脈衝。
R5 R6是Zener二極體的限流電阻,它們的值最好由實驗決定,以正電源方面計算:C3上的電壓減去D3的Zener電壓,就是限流電阻R5上的電壓,先定個初值,使流過R5的電流為2mA,然後在電源輸出端接上負載,令此電源供應用電電路最大消耗電流的二至三倍,測量輸出電壓並紀錄,再去除負載,測量輸出電壓,若是兩次測量值相差達幾個百分比,減少R3阻值,重複上述步驟(R5可用個可變電阻替代),直到滿意時,以一個最接近的固定電阻代入,這將可提供足夠的穩壓邊界條件。
用實驗的方法來決定是由於Zener二極體和電晶體的參數可能未知或者與典型值不符,電晶體的直流放大率與Zener的崩潰電壓值都會影響限流電阻值的適切性。若是實驗方法無法得到足夠的電源穩定效應,更換Zener二極體或電晶體,甚至全換,它們的缺陷會造成問題的。
要注意輸出電壓約比Zener電壓少0.6V,若輸入輸出電壓差(即Q1的VCE)不夠大,當電源供應大量電流時,亦會影響穩壓的效果(譯註:輸出大量的電流,將使濾波電容上的電壓紋波加大,紋波的最低值可能等於或小於所定之輸出電壓,於是在這部分,沒有穩壓的作用。)所繪的±8.4V的電源可同時供四個在聲頻下操作的運算放大器使用,有良好的穩壓又無哼聲。
有些讀者可能會對作者的電源值為±8.4V而非通常之±12V或±15V產生疑問,因為作者對運算放大器的興趣,不在於大的電壓輸出擺幅,而在於其廣泛用途及可信賴度的表現,較低的電源有較小的雜音且對該級運算放大器的放大率也沒影響(運算放大器之放大倍數是由外接元件所決定,而非電源電壓)。當然要升高電壓亦可,用崩潰電壓較高的Zener二極體,並依前述方法決定限流電阻。
一個完整的單端電源供應器如圖6,有12V的輸出,最大反向電壓100V的橋式整流,R1限制開機時的湧浪電流,陶瓷電容應盡量靠近IC安置,鉭質電容C4改善穩壓IC的暫態響應,有些讀者會注意到二極體上沒有壓抑脈衝的電容,這電容不一定需要,但是仿製的讀者要預留位置,若實際證明需要時可以加入,每個二極體跨接一個0.1μf的電容。若要較大的電壓輸出擺幅,則選用輸出電壓更高的穩壓IC及次級電壓較高的變壓器。
圖7是個運算放大器的聲頻放大運用電路。電阻R2 R3分壓得到電源中點(R2=R3=10K),運算放大器的正相輸入端接在這點,輸入信號藉C2耦合而來。C3阻隔直流,使直流信號經R4完全回饋,運算放大器的直流線路是個電壓隨耦器,所以輸出電壓定位於電源中點,R1是輸入信號的直流回路。
放大器的電壓增益是1+(R6/R5),這是對交流信號而言,選擇R5 R6以得到所要的增益值。電容C3要大,使在所要放大之最低頻率時,C3的交流電抗與R5 R6比較,自可略去不計。同樣在所定的最低工作頻率,C5的值必須遠大於C2,實際的電路中C2約為10μf,而C5在數百至數千μf,因為輸出阻抗遠小於輸入阻抗,但我們要求接近的時間常數RC值,可容許最低頻率不被衰減的通過。
有些雙電源的運算放大器電路,使用電解質電容有一缺點,即交連電容兩端沒有直流電壓存在(都是地電位),以提供交連電容正確的使用條件。在交流信號的負半週,電容之極性被反置而產生反向漏電流,這會影響電路的阻抗及電容的使用壽命,甚至會造成電容的擊穿,我們以上所提的電路中,交連電容的兩端都施以適當的直流電壓。
結論:
運算放大器是極有用的,要使其有最佳表現,就該有優越的直流電源,一些設計的概念和實際的電路呈現本文中,實驗者可用以製造自己的電源,使運算放大器的應用,獲得良好的效果。
(取材自Popular Elec.,1981,4月號)
(譯註)這是一篇很基本的論述文章,可當作是塊入門台階,跨過它,你會懂得追求更上一層,推薦一本全華出版的「IC型電源電路」,可供深入的研究。
轉載音響技術第79期JUNE. 1982 運算放大器對電源的需求/姜瑞堂
留言列表
