CN205178994U - 一种运算放大器动态供电电路 - Google Patents

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一种运算放大器动态供电电路，该电路包括信号输入单元、增益调节单元和电源，所述信号输入单元与增益调节单元连接，所述信号输入单元与增益调节单元之间设有相互连接的输入信号叠加单元、供电电压控制单元及功率驱动单元，所述电源与供电电压控制单元及功率驱动单元分别连接。本实用新型的主要特点是增益调节单元的供电电压依照固定比例随着输入信号的幅值变化，以通过用低转换速率的运放实现大信号、高带宽的信号调理，并能降低放大电路的功耗和噪声。

Description

一种运算放大器动态供电电路
技术领域
本实用新型涉及测试测量、计算机、通讯等领域的信号调理，具体涉及一种运算放大器动态供电电路。
背景技术
在测试测量、计算机、通讯等领域都需要对信号进行调理，调理电路中使用最多的就是集成运算放大器，集成运放通常用直流电压源进行供电。集成运放的频率响应和瞬态响应在大信号输入时，运放将工作到非线性区域，通常它的输入级会产生瞬时饱和或截至现象，因而运放内部常会增加补偿电容。由于集成运放内部的补偿电容，各级BJT间的极间电容和杂散电容等，使得运放在输入大信号的瞬变过程中，输出电压只有在电路的电容被充电后才随输入电压做线性变化，这样限制了运放的转换速率。同样，芯片厂商为了获得高转换速率的运放，在运放内部则需要提供更大的充电电流，这样的结果是高转换速率的运放需要具有大的静态电流，消耗更大的功率，这也限制了高转换速率的运算放大器供电电压不能太大，输入电压范围做不高。
另一方面运放的噪声与供电电流和电压息息相关，大的电流和电压都会引入更多的噪声，这就预示着高转换速率的运放具有更大的噪声。因此，采用常规集成运放实现高带宽、大信号的高精度信号调理，噪声会成为一个问题。
交流耦合输入的信号，输入源阻抗高，使得集成运放内部补偿电容、极间电容和杂散电容上的残余电压不易泄放，对于不同频率的大信号，经过目前市场上使用的运放采用常规电路调理，则会存在不同的直流电压偏移。
发明内容
针对以上集成运算放大器的自身局限性，本实用新型提出一种运算放大器动态供电电路，该供电电路能使集成运放的供电电压跟随输入信号变化，并与输入信号保持恒定压差，以减小运放内部电容对高带宽，大信号调理过程的影响；采用该供电方法，可选用低转换速率，低噪声集成运放实现大信号、高带宽的信号调理，即降低了功耗，减小了噪声，又解决了大信号交流耦合直流偏移的问题。
本实用新型的技术解决方案是：
一种与输入信号成固定压差的运算放大器动态供电电路，其特征在于：包括信号输入单元、增益调节单元和电源，所述信号输入单元与增益调节单元连接，所述信号输入单元与增益调节单元之间设有相互连接的输入信号叠加单元、供电电压控制单元及功率驱动单元，所述电源与供电电压控制单元及功率驱动单元分别连接。
上述信号输入单元由隔直电容C7串联接地电阻R12构成的高通滤波器形成输入信号的交流耦合输入方式，由与隔直电容C7并联的拨码开关或模拟开关或继电器J1实现输入信号的直流耦合输入方式，由电阻R17串联接地电容C8构成的低通滤波器对输入信号进行滤波处理后送入增益调节单元。
上述增益调节单元为基于运放的各种形式放大电路；包括正向输入放大电路、反向输入放大电路或由仪表放大器构成的放大电路，该增益调节单元的供电电压由输入信号叠加单元、供电电压控制单元及功率驱动单元控制。
上述输入信号叠加单元由三个分立器件Q1、Q2和Q11构成；所述分立器件Q1为双极型晶体管或场效应管构成射随器或漏极输出器，所述分立器件Q1的输出V3_OUT跟随输入信号V3_IN的变化而变化；所述分立器件Q2和分立器件Q11用于与后级电路供电电压控制单元进行级联，所述分立器件Q11与分立器件Q2的e极电压V3_OUT1和V3_OUT2，分别与V3_OUT具有一个PN结的固定压差，并随着输入信号V3_IN变化而变化。
上述分立器件Q1以及分立器件Q2、分立器件Q11的供电与增益调节单元的供电电压相同。
上述供电电压控制单元的电路为正负电源供电的恒流源电路。
所述恒流源电路涉及三个电流值I1、I2和I3；所述电流值I1由电源供电电压和依次串联连接的电阻R1、分立器件Q4、电阻R14、分立器件Q8及电阻R10确定；所述电流值I2由I1、电阻R1和R2确定；所述电流值I3由I1、电阻R10和R11确定；选定了R1、R14、R10、R2、R11的阻值，则I1、I2和I3为固定常数值；
所述与输入电压V3_OUT1和输入电压V3_OUT2对应的输出电压分别为输出电压V5_OUT1和输出电压V5_OUT2；
所述输出电压V5_OUT1由输入电压V3_OUT1、I2和电阻R4确定；所述输出电压V5_OUT2由输入电压V3_OUT2、I3和电阻R8确定；确定了R4和R8的阻值，V5_OUT1和V5_OUT2则随V3_OUT1和V3_OUT2的变化而变化，即随输入信号变化；改变R4和R8的阻值也可调整V5_OUT1和V5_OUT2的电压；
所述电阻R1和电阻R2并联一电容C1，所述电阻R4并联一电容C2，所述电阻R8并联一电容C4，所述电阻R10和电阻R11并联一电容C6，这些电容均为补偿电容，用于补偿整个电路的高频特性；
所述输出电压V5_OUT1和V5_OUT2信号后级连接功率驱动单元。
上述功率驱动单元分别由分立器件Q5串联电阻R3和分立器件Q6串联电阻R5构成，所述分立器件Q5和Q6的基极和射极电压受输出电压V5_OUT1和V5_OUT2信号调节，控制增益调节单元的供电电压；晶体管Q5、Q6和电阻R3、R5为增益调节单元提供足够功率。
上述电源为正负直流电压源，为供电电压控制单元和功率驱动单元进行供电，其正负电压幅值相等。
一种运算放大器动态供电方法，其特殊之处在于：包括信号输入单元、增益调节单元、输入信号叠加单元、电源、供电电压控制单元以及功率驱动单元；
所述信号输入单元实现信号的接入及滤波处理，包括直流耦合、交流耦合及低通滤波；
所述增益调节单元实现对输入信号的增益调节，包括信号放大和衰减；
所述输入信号叠加单元产生增益调节单元的动态供电电压，动态供电电压的幅值跟随输入信号的幅值变化而变化；所述输入信号叠加单元与供电电压控制单元共同作用为增益调节单元进行供电，增益调节单元的实际工作电压与输入信号叠加单元存在负反馈关系；
所述电源为直流电压源，为信号放大电路中的所有电路提供合理的供电电压；
所述供电电压控制单元控制增益调节单元的静态供电电压，即当外部没有接任何输入信号时，提供给增益调节单元的工作电源电压，该电压可通过电路中的器件进行调节改变幅值；
所述功率驱动单元为增益调节单元的供电提供功率。
上述输入信号叠加单元通过阻抗变换电路产生与输入信号相关的、与后级电路级连的信号V3_OUT1和V3_OUT2，所述阻抗变换电路可以是由双极型晶体管或场效应管构成射随器或漏极输出器，也包括由运放放大器等实现的其他电路形式；
所述输入信号叠加单元的供电与增益调节单元的供电电压相同；
所述供电电压控制单元的电路为正负电源供电的恒流源电路；所述电流源包含三个恒定电流值I1，I2和I3；一般设计选择I2和I3电流值相等；所述输出电压V5_OUT1由输入电压V3_OUT1，恒定电流I2和电阻R4确定；所述输出电压V5_OUT2由输入电压V3_OUT2、恒定电流I3和电阻R8确定；确定了R4和R8的阻值，V5_OUT1和V5_OUT2则随V3_OUT1和V3_OUT2的变化而变化；适当调节R4和R8的总阻值，则能调整V5_OUT1与V5_OUT2之间的电压；若保持两电阻总阻值不变，仅调节R4和R8的阻值分配，则V5_OUT1与V5_OUT2之间的电压差值不变，幅值得已调节，合理的选择R4和R8的阻值，则能使V5_OUT1与V5_OUT2为正负电压，幅值相等；
所述功率驱动单元的输出电压和功率受V5_OUT1与V5_OUT2控制调节。
本实用新型的优点在于：
本实用新型的供电电路能使集成运放的供电电压跟随输入信号变化，并与输入信号保持恒定压差，以减小运放内部电容对高带宽，大信号调理过程的影响；
本实用新型的供电方法，可选用低转换速率，低噪声集成运放实现大信号、高带宽的信号调理，即降低了功耗，减小了噪声，又解决了大信号交流耦合直流偏移的问题。
附图说明
图1信号放大电路的总体结构框图；
图2信号放大电路的具体实施；
图3输入信号叠加单元；
图4供电电压控制单元；
附图标号说明：1—信号输入单元，2—增益调节单元，3—输入信号叠加单元，4—电源，5—供电电压控制单元，6—功率驱动单元。
具体实施方式
下面结合说明书附图，详细说明本实用新型的具体实施方式。参见图1，本实用新型由六个部分构成，包括：
1、信号输入单元；
2、增益调节单元；
3、输入信号叠加单元；
4、电源；
5、供电电压控制单元；
6、功率驱动单元。
参见图2，本实用新型的具体实现方式之一，但本实用新型的实施方式不限于此。
信号输入单元的具体实施参见图2中标1方框内的电路所示。其中C7是实现交流耦合的隔直电容，R12接地电阻为后级运放的Ib电流提供一个泄放回路，防止Ib电流给C7进行充电，C7与R12构成高通滤波器。J1为交直流耦合选择开关，J1开关可为拨码开关或者继电器、模拟开关等可程控的各种形式。R17和C8构成低通滤波器。
增益调节单元的具体实施参见图2中标2方框内的电路所示。图2电路可为基于运放的各种形式放大电路，例如：正向输入放大电路、反向输入放大电路、由仪表放大器构成的放大电路等，图中仅以典型的正向输入运放进行举例。
输入信号叠加单元的具体实施参见图3所示，这部分电路主要由三个分立器件Q1、Q2和Q11构成。Q1可选双极型晶体管或场效应管构成射随器或漏极输出器，主要作用是阻抗变换，Q1的输出V3_OUT跟随输入信号V3_IN的变化而变化。Q2和Q11用于与后级电路进行级联，Q2与Q11的e极电压，即图3中V3_OUT1和V3_OUT2，分别与V3_OUT具有一个PN结的固定压差，并随着输入信号V3_IN变化而变化。Q1以及Q2、Q11的供电与增益调节单元的供电电压相同，能够起到稳定电路的作用。
电源电路为正负电源的直流电压源，为供电电压控制单元和功率驱动单元进行供电，一般要求正负电压幅值相等。
供电电压控制单元的具体实施参见图4所示。该电路为正负电源供电的恒流源电路，恒流源电路涉及三个电流值I1、I2和I3。I1的值由电源供电电压（VCC、VSS）和依次串联连接的电阻R1，分立器件Q4、电阻R14、分立器件Q8及电阻R10确定。I2的值由I1、电阻R1和R2确定，I3的值由I1、电阻R10和R11确定，一般R1和R10，R2和R11选相同的电阻值，则I2与I3电流值相等。选定了R1、R14、R10、R2、R11的阻值，则I1、I2和I3为固定常数值。
图4中输出电压V5_OUT1由输入电压V3_OUT1、I2和电阻R4确定。输出电压V5_OUT2由输入电压V3_OUT2、I3和电阻R8确定。确定了R4和R8的阻值，V5_OUT1和V5_OUT2则随V3_OUT1和V3_OUT2的变化而变化。适当调节R4和R8的总阻值，则能调整V5_OUT1与V5_OUT2之间的电压；若保持两电阻总阻值不变，仅调节R4和R8的阻值分配，则V5_OUT1与V5_OUT2之间的电压差值不变，幅值得已调节，合理的选择R4和R8的阻值，则能使V5_OUT1与V5_OUT2为正负电压，幅值相等。实际应用时，R4和R8可以为固定电阻，也可以为可变电阻器。
图4中电阻R1和电阻R2并联一电容C1，电阻R4并联一电容C2，电阻R8并联一电容C4，电阻R10和电阻R11并联一电容C6，这些电容均为补偿电容，用于补偿整个电路的高频特性。
V5_OUT1和V5_OUT2信号后级连接功率驱动单元。
功率驱动单元的具体实施参见图2中标6方框内的电路所示。这部分电路由两个分立器件Q5和Q6构成，Q5和Q6的基极电压和增益调节单元的供电电压受V5_OUT1和V5_OUT2电压值控制，Q5和Q6以及电阻R3，R5为增益调节单元提供功率。

Claims (8)

1.一种运算放大器动态供电电路，其特征在于：包括信号输入单元、增益调节单元和电源，所述信号输入单元与增益调节单元连接，所述信号输入单元与增益调节单元之间设有相互连接的输入信号叠加单元、供电电压控制单元及功率驱动单元，所述电源与供电电压控制单元及功率驱动单元分别连接。
2.根据权利要求1所述运算放大器动态供电电路，其特征在于：所述信号输入单元由隔直电容C7串联接地电阻R12构成的高通滤波器形成输入信号的交流耦合输入方式，由与隔直电容C7并联的拨码开关或模拟开关或继电器J1实现输入信号的直流耦合输入方式，由电阻R17串联接地电容C8构成的低通滤波器对输入信号进行滤波处理后送入增益调节单元。
3.根据权利要求2所述运算放大器动态供电电路，其特征在于：所述增益调节单元为基于运放的各种形式放大电路；包括正向输入放大电路、反向输入放大电路或由仪表放大器构成的放大电路，该增益调节单元的供电电压由输入信号叠加单元、供电电压控制单元及功率驱动单元控制。
4.根据权利要求3所述运算放大器动态供电电路，其特征在于：所述输入信号叠加单元由三个分立器件Q1、Q2和Q11构成；所述分立器件Q1为双极型晶体管或场效应管构成射随器或漏极输出器，所述分立器件Q1的输出V3_OUT跟随输入信号V3_IN的变化而变化；所述分立器件Q2和分立器件Q11用于与后级电路供电电压控制单元进行级联，所述分立器件Q11与分立器件Q2的e极电压V3_OUT1和V3_OUT2，分别与V3_OUT具有一个PN结的固定压差，并随着输入信号V3_IN变化而变化。
5.根据权利要求4所述运算放大器动态供电电路，其特征在于：所述分立器件Q1以及分立器件Q2、分立器件Q11的供电与增益调节单元的供电电压相同。
6.根据权利要求4所述运算放大器动态供电电路，其特征在于：所述供电电压控制单元的电路为正负电源供电的恒流源电路；
所述恒流源电路涉及三个电流值I1、I2和I3；所述电流值I1由电源供电电压和依次串联连接的电阻R1、分立器件Q4、电阻R14、分立器件Q8及电阻R10确定；所述电流值I2由I1、电阻R1和R2确定；所述电流值I3由I1、电阻R10和R11确定；选定了R1、R14、R10、R2、R11的阻值，则I1、I2和I3为固定常数值；
所述与输入电压V3_OUT1和输入电压V3_OUT2对应的输出电压分别为输出电压V5_OUT1和输出电压V5_OUT2；
所述输出电压V5_OUT1由输入电压V3_OUT1、I2和电阻R4确定；所述输出电压V5_OUT2由输入电压V3_OUT2、I3和电阻R8确定；确定了R4和R8的阻值，V5_OUT1和V5_OUT2则随V3_OUT1和V3_OUT2的变化而变化，即随输入信号变化；改变R4和R8的阻值也可调整V5_OUT1和V5_OUT2的电压；
所述电阻R1和电阻R2并联一电容C1，所述电阻R4并联一电容C2，所述电阻R8并联一电容C4，所述电阻R10和电阻R11并联一电容C6，这些电容均为补偿电容，用于补偿整个电路的高频特性；
所述输出电压V5_OUT1和V5_OUT2信号后级连接功率驱动单元。
7.根据权利要求6所述运算放大器动态供电电路，其特征在于：所述功率驱动单元分别由分立器件Q5串联电阻R3和分立器件Q6串联电阻R5构成，所述分立器件Q5和Q6的基极和射极电压受输出电压V5_OUT1和V5_OUT2信号调节，控制增益调节单元的供电电压；晶体管Q5、Q6和电阻R3、R5为增益调节单元提供足够功率。
8.根据权利要求1～7任一所述运算放大器动态供电电路，其特征在于：所述电源为正负直流电压源，为供电电压控制单元和功率驱动单元进行供电，其正负电压幅值相等。
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