单电源运放为什么需要加偏置，如何加偏置？

1、运放差分输入端可以看做是一个镜像的电流源，如下图：



如果使用单电源供电时，也就是IS1的最终流向是地，如果输入信号是交流信号，那么负半轴的信号并不能让输入端的Q1/Q2处于线性工作状态，会出现严重的放大失真。

2、通过在差分输入端加入偏置电压可以有效解决该问题。通常偏置最好是Vcc/2，而且为了更好的放大，偏置最好用电源产生，不要使用电阻分压。电阻分压会对放大有影响，对输入信号阻抗也会产生影响。

下面通过仿真来看下有偏置和没偏置的影响。

**有偏置：



信号源10mV，60Hz波形，使用同向放大，从波形上看的出来相位相同。

输出端一定会带有2.5V的直流点位在，因为加了偏置就是2.5V，看到的波形大小不一样，是因为不同通道使用的档位不一样，但是可以从中间栏信号值观察；

蓝色信号是隔直电容后的信号值，P-P值110mV左右，放大11倍。

无偏置：



1、蓝色波形出现了严重的负半轴失真现象，而且放大倍数远远低于11倍。

这就是单电源供电运放有无偏置下的放大影响。
备注：

1、同向输入端串联的电阻R3主要是为了补偿反向输入端因为偏置电流产生的电压影响，设计的过程中建议加上，如果放大倍数大的情况下是能起到很好的补偿作用，常见于跨阻运放对光电流进行放大，同时这也是一种好的习惯。

2、如果是反向放大的，信号源直接接反向端即可。



放大后的信号与原始信号相位相差180度。

上次我们将磁粉芯的直流偏置特性分两节进行了讲述，这次为了方便大家查看，将两节合起来做一个汇总
首先说明一下，什么是磁粉芯以及我们常见的磁粉芯种类，这在前面我们没有提到，这里补充一下：
概念：磁粉芯也称为粉末磁芯，具有分布式气隙的一类磁芯，分布式气隙由制作工艺决定，这类磁芯也属于软磁材料，组成常用软磁磁芯材料的元素种类有 铁、钴、镍三种铁磁性元素，它们是构成磁性材料的基本组元。
磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。由于铁磁性颗粒很小(高频下使用的为 0.5～5 微 米)，又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的 间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化 也就较为稳定。主要用于高频电感。磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填 充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等
磁粉芯结构示意图
种类及组成成分：
(1)铁粉芯—铁粉磁粉芯
(2)铁硅铝粉芯(Sendust、美磁MAGNETICS称为Kool mu)—铁、硅、铝磁粉芯
(3)高磁通粉芯(HF)—铁镍磁粉芯
(4)钼坡莫(MPP)—铁、镍、钼磁粉芯
上面了解了磁粉芯的一些基本知识，下面我们通过一种磁粉芯材料，来说明直流偏置特性。
直流偏置特性：磁导率随磁场的变化特征，即直流偏置特性(DC Bias Performance)，这里的磁场是一个直流磁场HDC(代表直流电流)叠加一个变化磁场BAC(在电感中代表纹波电流)的磁场，上次也说过，作为CCM模式下的电感，磁摆幅从磁滞回线看只工作在一个小范围内，即通常电感不仅是单向励磁，而且在CCM下还是小范围进行磁摆幅，如下图，变化磁密BAC只有一小部分，其余均为直流偏置。
电感偏置磁滞回线
举例汇总：
(1)美磁(MAGNETICS)，任意一种铁硅铝磁芯，直流偏置特性曲线如下
直流偏置特性曲线
典型的直流偏置特性曲线，横坐标表示是安匝乘积数(A.T)，纵坐标表示的是电感系数AL
电感系数
即纳亨每匝数的平方，可以看出，随着安匝增加，电感系数是不断减小的，安匝数：
安匝-安培环路定理
在磁路长度确定时，安匝乘积数(A.T或A.N)实质表示的就是磁场，上述是国际单位MKS制表示法(即国际单位制，磁路长度是米"m")
假如，以这个规格绕制的一个磁环电感，绕制4匝，那么，当无直流偏置的情况下，电感就等于：
无直流偏置电感量
当直流偏置电流为100A时，从图中可以看出，安匝乘积等于400A.T或A.N，那么此时，电感系数只有原来152的百分之50左右倍，电感就等于：
直流偏置下的电感量
所以，我们在评估这类电感时，你需要的电感量，一定要在实际电流情况下去评估，而不是直接带入直流偏置为零的电感系数去计算，实际电流下，一定是电感的一种打折。
再次说明一下电感系数AL，实质是磁导G，这里只是变换一个单位的事，磁导G是磁阻Rm的倒数：
磁阻
磁导—电感系数
uc是磁芯材质的绝对磁导率，比如我们常说的u-125材质是一种相对磁导率，需要转化转化为材料的绝对磁导率uc。
一种铁硅铝的电感系数
从上面表中，可以看出在直流偏置为"0"时的电感系数为152nH/N2±8%，这个是从一般实际测量得到，典型的电感系数是在1000匝下测得的，如下图是TDG测量的一种数据，可以看出匝数越多，得到的电感系数值月接近理论计算值
电感系数测量对比
我们也知道，电感系数AL实质是磁导G，因此只要你清楚磁芯的物理尺寸，你就可以轻松计算出无直流偏置时的电感系数了，这里再次强调一下用Excel计算，方便又快捷。
一种铁硅铝物理参数
电感系数的Excel计算
上面是美磁"MAGNETICS"的一款铁硅铝(Kool mu或Sendust)的直流磁化特性曲线，很直观，我们可以看出电感系数的变化，因为对于电感系数中磁路有效长度Le和磁芯截面积Ae都是定值，随着直流偏置的变化，变化量实质是磁导率的变化，呈减小的趋势。
(2)浙江科达和睦(KDM)磁粉芯，铁硅铝(Sendust)的直流磁化特性曲线如下，横坐标—奥斯特(Oe)；纵坐标—磁导率百分比，实质也是随直流偏置的变化，磁导率变化(减小)的趋势。
特性曲线横坐标磁场强度是奥斯特(Oe)表示(实质是安培环路定理的表达式，只不过是CGS表示法)
磁场强度—奥斯特
式子中"l"是磁路长度，单位是厘米"cm"；匝数"N"和线圈电流"I"单位为安培"A"
磁环拟合曲线举例：
直流偏置的拟合曲线
上图中磁化拟合曲线函数如下：
拟合曲线公式
其中磁场强度"H"
特性系数表
其中"a"、"b"和"c"是偏置特性曲线的系数，是一个常数"Contanst"，不同磁导率对应的特性系数不同(磁导率是相对磁导率)，如上表。
任意一种铁硅铝磁材料：
磁芯物理尺寸规格：
带入磁环物理尺寸，如下图是借助"EXCEL"计算相对磁导率随磁化电流的变化，其中黄色填充代表输入参数，蓝色代表输出结果，电流假定100A、匝数定位4匝，第一行结果是磁场H(Oe)；第二行是磁化电流结果的磁导率百分比结果
H=39.4858(Oe)
%u=51.7969，则相对磁导率由原来的125变为原来的51.7969%，因此在安匝数=100*4=400A.N时，实际磁导率为125*51.7969%=64.7461
Excel计算
读曲线值对比曲线图，当磁场强度H=39Oe时，磁导率大约是零磁化电流的51%，这个和上面的计算结果相符，如图红色虚线标注。
表中读取
拟合曲线的优点：
首先拟合曲线代表了一个厂商相同材质的所有磁芯的磁化趋势，假定你选定一个规格的磁芯，只要带入磁芯参数，就可以得出选定磁芯在磁化电流下的变化趋势，进而可以得出在特定磁化电流下的电感量，利用好电子表格，结算复杂结果和绘制函数曲线由很大的好处。拟合曲线相比于美磁"MAGNETICS"的直流偏置安匝曲线，使得一种特定材料的磁化曲线更加统一、简化，便于查阅和计算，而且能够代表所有同种材料不同尺寸规格磁芯的直流特性变化曲线。
为什么，我们要了解磁粉芯的直流偏置特性呢，这是因为我们前面提到的这种材料构造，由于分布式气隙的缘故，材料在直流偏置下，不会迅速进入饱和，而是缓慢进入，磁滞回线较为平坦，磁导率逐渐减小。
磁粉芯的磁滞回线

写在最开始：
很多人觉得电源不重要，不关键，能用就可以，烧不坏就行，也许接下来一段时间的原理知识会显得无比枯燥，乏味，而且最重要的是简单~但它很重要：
问答：如何将交流电变为直流?我们为什么需要将交流变为直流?他们各自有哪些优点?
*********************************请看到最后**********************************
※※※你了解变压器吗，你用过变压器吗？你会设计变压器吗？※※※
  基本变压器原理，每个人都非常的熟悉，我们都知道U1/U2=N1/N2；完全没有错，小提醒（实际过程中需要考虑线圈阻抗和空间布局），这不是重点，重点是我们常常不满足于单一线圈的电压转换关系。
  在使用过程中，考虑到种种实际因素，我们需要产生多个不同的副电压，非常简单，如下图实物，通常为了增大磁通的传递效率，通常将原线圈与副线圈缠绕在同一个铁芯上，在线圈的外部也用铁钴镍的材料包裹，而且通常有多个副线圈同时缠绕，通过控制原副线圈的匝数比，可以同时产生多种不同压力值的电压信号。
在具体的设计过程中，需要进行严格的仿真计算，空间布局仿真，作为一个非专业的变压器设计者，我将不做详细赘述。回归正题，要想让变压器能够正常工作，通常原线圈磁场需要不断变化，只有不断变化再能产生不断变化的磁场，进而感应生成源源不断的电流，因此，变压器适合交流场合，或者至少要求通过线圈的电流不断变化，通过上边的变压器我们可以将一个较高的电压（市电220V）转变为合适的区间（5V交流），
下一步：如何将一个常用的正弦交流电变为直流电？
※※※整流※※※
常用的整流电路有两种，一种桥式全波整流，另一种为桥式半波整流
如图所示为全波桥式整流电路，仅需要四只二极管，通常桥式整流器市面上有直接出售产品，如果你动手能力强，想自己试试，也是完全鼓励的，在选择二极管的时候注意其耐压值，最大工作电流和反向截至电压三个参数，不要轻易让一个只能吃一碗饭的人吃十桶饭；
PS：自己试验注意安全，人体安全电压仅36V，也有人几百V电不死，但请不要随意模仿，尝试。
如果去掉图中D2和D4或者D1和D3，即为半波整流，根据上图思考全波整流和半波整流有何区别~~~
言归正传，不忘初心，牢记使命，不要忘记我们是要将交流变为直流，上图中的波浪线也不像我们需要的直流，接下来的至关重要~
※※※滤波※※※
滤波电路多种多样，有RC滤波，LR滤波，LC滤波，LRC滤波电路，有一阶，二阶，N阶滤波电路，考虑到我们滤波对象是电源，为尽量避免功率出现较大损耗，选择如下滤波电路，此处仅展视原理，具体阻容感最佳选择需要进行计算，仿真和实际测量调试。
  上图所示为典型LC低通滤波器，通过选择适当参数的器件，可以将不断变化的交流波变得更加平滑，如下图所示：（图片仅作参考示意）
※※※稳压※※※
经过电源滤波后，电源的纹波小了很多，但在很多时候依然不满足使用要求，这就需要用到稳压器，稳压器种类多种多样，常见的有单向稳压二极管、双向稳压二极管、三端稳压器等~
如果能确保只有一段电压溢出选用单向稳压二极管，两端都可能溢出选双向稳压管。
  如上图所示为单向稳压二极管电压与电流关系，当电压达到稳压管上限后，多余的能量能够迅速通过二级管释放掉，从而达到稳压的目的，稳压管选型主要参考参数：稳压管耐压值，稳压值，瞬时功率。
  稳压管不仅仅用来做电压的最后调整，通常在电路设计中，也常常被用来保护电路，防止瞬时高压大电流毁坏后续电路。
写在最后：
  电源设计是电路设计的基础，也是电子产品设计中的重中之重，电源设计也任重而道远，我们不这样去设计电路，但是我们需要知道，我们使用的电如何而来。
  产品设计过程中主要考虑：
1）需要的电压种类，各电压所需要的最大电流值，通常最少保留20%的余量；
2）电源的纹波是否符合要求，考虑电源的噪声对信号质量的影响；
3）电源的效率多大，最大输出电流多少，整体功耗是否满足要求。
PS再问：
如何将交流电变为直流?为什么需要将交流变为直流?他们各自有哪些优点? 
※※※※※※下一期讲述开关电源基本原理和选型，欢迎留言交流哦～

MCP6002，这个芯片是轨到轨输出。
什么是轨到轨？
中文直译：轨到轨；中文意译：满摆幅(可以为 输出，也可以为输入)
很多 运放的输入不允许达到电源或地，输出达不到 电源或地。
如果是rail to rail输入输出，就可以。(当然也不可能完全达到，有一点略微的差别)
这个功能可以避免由于输入电压过大引起的信号翻转失真。
 运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。
 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨(Rail-to-Rail)输入运算放大器。
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信号处理部分
我们要做的电路是三个运放构成，一个MCP6002里边有两个运放，所以我们使用两个MCP6002。

这种三运放构成的仪表放大器，可以用在很多产品上，使用最多的，是对传感器小信号的放大。这是一种典型的电路形式。U3.1和U3.2是电压跟随器，U4.1是差分放大电路，实际上也是个减法器电路。电路的放大倍数=R6/R5=100倍。
再次强调，数电中1就是1，0就是0，学模电，不能像数电那样看了就能理解。一定要多用电路，用的多了，就会理解越来越深刻。所以，现在不理解，也完全没有关系，
很多人还会好奇跟随器前面的电阻R1和D3。
D3的作用是当输入电压高于VDD的时候保护运放的输入级。在MCP6002内部，还有一个二极管，是保护输入电压低于VSS的时候保护输入级。
R1的作用有两个，一个是限制输入到输入级的电流，另外一个是在输入电压大于VDD的时候，限制输入到D3上的电流。(R2、D4的原理和R1、D3一样。)
你可能注意到了R4下边的REF这个网络标号，因为我们使用MCP6002的单电源供电方式，所以需要在R4的下边接1/2的VDD，以便获得全部的信号。如果MCP6002的供电方式是双电源供电，那么REF这个地方是接GND的。并非是单电源供电运放必须加VCC/2直流偏置，要看处理的是什么信号！
比如处理参考点是零的交流信号，如果不加直流偏置抬升参考点，那负压部分就会被运放内部输入级卡掉，所以加偏置仅仅是为了保证给到运放的信号在其能接收的输入电压范围内，如果交流信号本身就是在0V以上的信号(包括直流信号)，采用同相输入放大下就没必要在给vcc/2的直流偏置电压了包括直流信号。
 在REF脚上加Vcc/2电压应该是和你的应用有关，比如你后端的ADC输入范围有关。加Vcc/2,相当于把输出加了偏置，可以保证输出以Vcc/2为中心，上下摆动到0和Vcc，这样可以最大程度的使用ADC的全范围输入。
运放的供电方式有两种：一种是单电源供电，例如5V和GND；另外一种是双电源供电，例如±5V。
我们使用下面的电路给REF提供2.5V的电压。
 电压跟随器

这是一种非常常见的给单电源运放提供1/2VDD电压的一种方法，大家首先要熟记，然后听我给你们解释。

如果我不用这个跟随器，而是直接用两个10K电阻分压连接到REF那个地方，那实际上，REF处的电压肯定不是2.5V，因为它将会与R3、R4一起参与组成串并联的电阻网络一起分压输入电压，REF将会是一个随着输入电压变化的电压。 用专业一点的话来说，就是R8、R9分压后得到的2.5V电压输出阻抗太大。
所以，我们接一个电压跟随器，运放的输出阻抗很小，几乎为零点几欧姆。到时候，REF的电压将不会受到输入电压的影响，很好的保持2.5V不变。

你也可以用一个电压基准芯片，比如REF3125。但是这样会增加成本，而且多一个元器件，多占用一点PCB面积，我们本来很小的电路板，还是少放点东西比较好。因为我们刚才在信号处理电路中使用的U4实际上只使用了一个运放，还剩下一个运放，所以正好拿它来做REF的电压提供，两全其美。
本文部分内容来源于：
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