单电源与双电源运算放大器转换详解：仪用放大器在单电源设计中的关键

本文档详细介绍了仪用放大器在FANUC机器人中的应用，重点聚焦于如何在不同电源条件下设计和使用运算放大器。首先，仪用放大器作为一种用于处理小信号直流信号的电路元件，它基于减法器拓扑结构，利用同相输入端的高阻抗特性。基本的仪用放大器设计如图十所示，其核心在于对信号的精确放大和处理。 运算放大器，尤其是运放，是电子设计中的基石，广泛应用于信号处理、滤波、比较和转换等场景。在传统的电路设计中，常常依赖双电源系统，即正负电源，典型电压范围如±15V、±12V或±5V。双电源电路的输入和输出电压通常与参考地有关，并且有输出电压摆幅限制（Vom）和最大输出电压范围。 然而，在实际应用中，设计师可能需要面对单电源供电的情况。这需要更谨慎的设计，因为运放并非总是直接按照标称电压供电，而是可能在不同的电压范围内工作。在这种情况下，设计者需要查阅运放的数据手册，关注绝对最大供电电压、电压摆动以及具体运放型号的Voh（最高输出电压）和Vol（最低输出电压）。 对于单电源运放，电源脚通常连接正电源和地，例如VCC+和GND，通过将正电压分半形成虚拟地（或称“虚拟零”），输出电压围绕这个虚拟地摆动，且输出电压摆幅受限于Vom。值得注意的是，尽管某些运放声称具有轨至轨（Rail-to-Rail）特性，即输出能覆盖电源电压范围，但输入和输出是否真的能承受轨至轨电压需要确认，因为某些器件可能存在限制。 为了确保电路的稳定性，尤其是在单电源应用中，设计者还需在输入和输出处加入隔直电容，防止直流电压泄漏影响信号质量。随着技术的发展，单电源供电电压可能会降低到3V甚至更低，因此选择具有宽动态范围的轨至轨运放对于避免动态范围损失至关重要。 本篇文档提供了深入理解运算放大器在FANUC机器人系统中运用的关键知识点，包括不同电源条件下的运放设计策略，电压限制，以及单电源电路中的注意事项，对于电子工程师在实际项目中优化放大器性能具有重要的指导价值。