使用运算放大器分割电压轨以创建虚拟地

设计中可能包含需要双极电源的传感器或 IC，或者您需要充分利用双极输入模数转换器 (ADC) 的动态范围。分割电压轨的另一个原因是，如果您在单电源轨设计中需要中间轨偏置电压。

术语“电源轨分离器”描述了为电路创建新的 0-V 参考点，通常是单电源轨 VDD 的电源电压 (VDD) 的中点除以 2。总可用电压保持不变，但您可以将其视为在新的 0-V 参考上下分布的双极电源 ±VDD/2，这被称为“虚拟接地”。

创建新虚拟接地的轨道分离器必须能够提供或吸收负载电流，并且必须在其输出端具有电容去耦负载的情况下保持稳定。生成虚拟接地的一种方法是使用配置为单位增益缓冲器的运算放大器 (op amp)。

轨道分离中的运算放大器

运算放大器缓冲器的输入电压来自电阻分压器，该分压器设置为电源电压的一半 (VDD/2)。分压器与 C3 分离，以稳定电压，防止 VDD 上的噪声或纹波 (图 1 )。添加 R3 可限制流入运算放大器非反相引脚的任何电流。当 VDD 上升或下降以及 C1、C2 和 C3 电容器充电或放电时，该电流可以流动。

图 1电压轨分离器使用运算放大器的方式。来源：德州仪器

因此，运算放大器的输出为 Vsplit = VDD/2。缓冲器的输出应采用电容去耦，电源轨通常就是这种情况。但是，大多数运算放大器即使有几十皮法的输出负载电容也会变得不稳定，需要额外的技术才能使其稳定。

因此，请选择具有无限输出负载电容的固有稳定性运算放大器。对于此设计研究，我们使用OPA994，它可自动检测其输出上的负载电容并优化其内部补偿以允许使用大输出电容。它还能够在提供或吸收数十毫安负载的同时保持 VDD/2 输出，如数据表曲线中不同 VDD 值所示。

考虑到温度和电源电压变化的坏影响，以及设备是拉电流还是吸电流，拉电流或吸电流的安全值为 ±30 mA。可以使用与应用相对应的数据表曲线来增加此 ±30 mA 电流。

我们在TINA-TI仿真软件中模拟了 OPA994 轨道分配器，以检查其输出频率响应稳定性。图 2中的波特图显示了稳定的响应，在 16.65 kHz 的交叉频率下相位裕度为 66.7 度。为了实现该响应，OPA994 自动将其带宽从 18 MHz 降低到 16.65 kHz。

图 2 OPA994 的波特图仿真显示了其反相输入的输出。来源：德州仪器

我们对图 1 进行了时域仿真，其中我们将负载瞬变应用于输出（图 3）。这涉及切换连接在 Vsplit 和原始 0 V 之间的 120 Ω 电阻负载。我们在 t = 2 ms 时施加负载，并在 t = 6 ms 时移除它。连接在 VDD 和 Vsplit 之间的第二个 120 Ω 电阻负载在 t = 4 ms 时切换，并在 t = 8 ms 时移除。120 Ω 负载为 2.5 V，120 Ω ≈ 21 mA 瞬态负载电流。

图 3仿真显示了负载瞬变如何应用于输出。来源：德州仪器

模拟的目的是查看 Vsplit 的电压偏差并检查稳定性，这由阻尼良好的响应来表示。在大多数应用中，负载瞬变会小得多，因此此模拟显示的是糟糕的情况。如您所见，响应阻尼良好。对于 21 mA 负载阶跃（源或接收器），输出偏差为 9 mV，恢复时间为 0.37 毫秒。

参考运算放大器

在实际应用中，供电负载通常可以是运算放大器信号链。在图 4所示的 TINA-TI 仿真中，OPA171运算放大器参考 OPA994 的 Vsplit 虚拟接地输出。OPA171 运算放大器配置为增益为 -100 的反相放大器。OPA171 的电压输入 (V IN ) 是 ±20 mV 峰值正弦波，也参考 Vsplit。

 
图 4上图显示了 OPA994 分轨和 OPA171 反相放大器仿真。来源：德州仪器

图 5的仿真输出显示，OPA994 (ILOAD) 仅提供少量电流 (±20 μA)，对 Vsplit 轨的干扰可以忽略不计。OPA171 的静态电流来自 VDD 至 0 V，OPA994 分离轨的电流来源或吸收来自 Vsplit 参考输入和输出信号。

 
图 5仿真输出显示 OPA994 仅提供少量电流，对 Vsplit 轨的干扰可以忽略不计。来源：德州仪器

OPA171 输出为 ±2 V，由于运算放大器的输入失调电压乘以其噪声增益（即增益为 101），因此存在额外的输出电压分量。OPA171 的共模抑制比可减弱 Vsplit 上的干扰或失调。

我们测试了图 1 所示的电路，并将 120 Ω 的开关负载从 Vsplit 切换到原始的 0 V，以测试负载瞬态响应。图 6显示了交流耦合 Vsplit 输出，并给出了 4 mV 峰峰值偏差，反映了模拟结果。

图 6测试结果显示 120 Ω 负载接通和断开。来源：德州仪器 

然后我们使用±20 mV、1 kHz 正弦波输入测试了图 4 所示的电路。图 7中的测试结果显示，输出为±2 V（相对于 Vsplit 虚拟地），加上偏移（给定运算放大器的输入偏移电压）。

 
图 7上图显示了 OPA171 输出（G = –100），输入为 ±20 mV。来源：德州仪器

与所有运算放大器一样，Vsplit 输出失调电压会随负载电流而变化。图 1 显示了此模拟结果，而图 8显示了 ±40 mA 负载范围内的结果以及该负载范围内的 14 mV 偏差。

图 8显示负载电流随 Vsplit 变化的情况。来源：德州仪器

0 mA 时的 3 mV 失调电压归因于运算放大器的失调电压，加上 R1、R2 和 R3 电阻中输入偏置电流的失调电压。在运算放大器的反馈路径中增加一个等于分压器电阻 (R1//R2) 和 R3 (6 kΩ) 的并联组合的电阻，可消除偏置电流引起的失调电压。