【成功案例】基于SGM8051XS/TR高速运算放大器的单电源供电视频信号分配器
当使用运算放大器构成的放大电路放大交流信号时，通常双电源是最好的方案，因为双电源供电可以简化放大电路设计，同时提供最优性能。然而，相比于增加一些电阻电容而言，增加一路负电源会显著增加系统成本，另外对于便携式、移动式设备来说，往往很难具备使用双电源的条件，此时使用单电源对运放进行供电就变得尤为重要。在利用单电源对运放进行供电时，有一些问题是要特别注意的，如果处理不当，很可能会导致系统噪声增大、精度降低甚至出现自激振荡。在笔者经手的一个视频信号分配器项目中，需要使用运放处理视频信号，受限于供电条件，必须使用单电源，经过多次实验之后，运放型号确定为圣邦微电子的SGM8051XS/TR。下面就将我在项目中总结的运算放大电路的单电源供电经验分享给大家。
单电源供电的同相放大电路图如图1所示，图中C1、C2、R1、R2、R3、R4均需要根据实际需要选取，图中所示取值并不是一定的。
图1 单电源供电的同相放大电路图
单电源供电的同相放大电路存在如下几个问题：
●输入阻抗问题：同相放大电路的优势之一是具有极高的输入阻抗。当同相放大电路采用单电源供电后，对于信号源来说，其输入阻抗不再“极高”。图2示出了信号源等效的输入电路，可以看到对于信号源来说，相当于带了一个负载，其值为R3与R4的并联值（电容C1认为短路）。对于一些高阻抗的信号源来说，这个负载可能无法接受，因此必须选用较大的R3与R4，使其并联值远大于信号源内阻。
图2 单电源同相放大电路信号源输入等效
●噪声、纹波和自激振荡问题：运放改用单电源供电后，噪声不可避免地增大，这是因为电源中的噪声通过R3和R4引入到放大电路中，加以放大之后输出更大的噪声。运算放大器原本具有一定的电源噪声抑制能力，用PSRR表示，通常可达80dB以上。当使用单电源供电时，运放对电源噪声的抑制能力将失效，表现为输出信号噪声增加，严重情况下可能导致自激振荡的发生。为了尽可能使电路具有高电源噪声抑制能力，有必要对电路中元件取值仔细斟酌。图3是单电源同相放大电路电源输入等效电路图，电源VCC噪声通过R3、R4和C1组成的低通滤波器之后，经过带有高通特性的放大电路输出。为了尽可能滤除高频噪声，需要选择较大C1，但大容量的电容高频特性较差，因此通常使用多个电容并联的方式能够取得更好的效果，值得一提的是，使用瓷片电容的效果会更好。
图3 单电源同相放大电路电源输入等效电路图
●频率响应问题：
在图1中，C1、R3、R4共同构成了一个一阶高通滤波器，同时R1、R2、C2也构成了一个一阶高通滤波器，这将导致整个电路具有二阶高通响应。这个高通响应的截止频率必须要小于待处理信号的频率最小值，对于待处理信号频率很低的情况来说，可能需要很大的电容来降低截止频率。在我们的项目中，由于视频信号频率较高，因此无需特殊考虑。
●输出电压摆幅问题：
在项目初期对运放的选型中，我们发现很多运放无法很好的工作，其中一个原因是输出电压摆幅问题。图4是输出电压范围的示意图。
图4 输出电压范围示意
在特定的供电电压下，运放能够输出的电压是有限的，最高不能超过电源电压，最低不能低于地电位（对于单电源供电来说）。有些运放最大输出高电压和最大输出低电压不对称，而且比较小，因而满足不了输出幅度，会出现波形削波。SGM8051XS/TR是轨至轨输入输出运放，能够以接近电源轨的幅度输出信号，因此可以满足本项目的需求。对于输出电压范围不对称的运放来说，最好的办法就是将静态直流电压设置为输出电压范围中点处，即通过调节R3、R4，使输出电压为输出电压范围的中点。
在注意以上问题之后，我们的视频驱动单元电路成功调试完毕了，附上一张放大正弦波的波形图（图5）。可以看到波形无失真，噪声低，单电源放大电路性能优异。
图5 SGM8051XS/TR放大10M正弦波
最后总结一下圣邦微电子的SGM8051高速运算放大器的特性：
●电压反馈型高速运算放大器，单位增益带宽250MHz，压摆率130V/μs
●输入范围可低于地电位，轨至轨输出适合单电源供电
●低功耗，单个运放仅消耗2.3mA电流，适用于便携式设备
●宽供电电压范围，可低至2.5V
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SGMICRO放大器选型表
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产品型号
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品类
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CH
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SHDN
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Vᴄᴄ(Min)(V)
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Vᴄᴄ (Max)(V)
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Vᴏs(mV)
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Iq/CH(μA、nA、mA)
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Iʙ(pA)
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GBP(MHz、kHz)
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SR(V/ms、V/μs)
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Eɴᴏɪsᴇ(nV/√Hz、μVᴘᴘ)
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Package
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SGM8545
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低功耗运算放大器
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1
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N
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2.1
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5.5
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3.5
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48μA
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0.5
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1.1MHz
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520V/ms
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27nV/√Hz
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SOT-23-5
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选型表 - SGMICRO 立即选型
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