單電源到雙電源綜合指南

在電子和電氣工程領域，電源配置在確定設備的性能和功能方面起著至關重要的作用。工程師和愛好者經常遇到的一種常見轉換是將單電源轉換為雙電源。這種轉換對於需要正電壓和負電壓的電路至關重要，例如運算放大器、音頻設備和模擬信號處理設備。在這篇文章中，我們將探討單和雙的概念電源，討論為什麼以及何時需要進行這種轉換，並提供有關如何有效實現轉換的詳細指南。

了解單電源

單電源提供單電壓輸出，通常以地 (0V) 為參考。例如，+12V 電源意味著相對於地電壓為 12 伏正電壓。單電源在數字電路和許多低功耗應用中很常見，因為它們更簡單、更具成本效益且更易於管理。

什麼是雙電源？

雙電源提供兩個電壓輸出：一個正電壓輸出和一個負電壓輸出，均以公共地為參考。例如，±12V 雙電源意味著相對於地有 +12V 和 -12V 輸出。這種設置對於處理交流信號或需要對稱電壓軌的模擬電路至關重要，使設備能夠處理高於和低於地電位的信號。

為什麼從單電源轉換為雙電源？

許多模擬電路，例如運算放大器（op-amps），需要雙電源才能正常工作。如果沒有負電壓軌，運算放大器就無法放大低於地電壓的信號，從而限制了電路性能。將單電源轉換為雙電源可以提高多功能性、改進信號處理和更好的整體電路設計。

單電源轉雙電源的方法

有多種方法可以實現單電源雙電源供電。選擇取決於應用、負載要求和復雜性。

1 使用虛擬接地電路

虛擬接地電路在單電源電壓和接地之間創建中點電壓，有效地將電源分成正軌和負軌。這通常使用運算放大器或專用 IC（例如 TLE2426“軌道分配器”）來實現。虛擬地充當參考點，允許電路將電源視為 ±V。

2 使用電荷泵逆變器

電荷泵電路使用電容器和開關來反轉電壓，從正輸入創建負電源。 ICL7660 等 IC 常用於在低功耗應用中生成小負電壓。此方法緊湊且高效，但可能無法處理高電流負載。

3 使用 DC-DC 轉換器

對於更高的功率要求，具有分離輸出的 DC-DC 轉換器可以從單個輸入生成雙電壓。這些轉換器更加複雜和昂貴，但可提供穩定、隔離和穩壓的雙輸出，適合要求苛刻的應用。

設計考慮因素

將單電源轉換為雙電源時，必須考慮以下幾個因素：

負載電流：確保所選方法能夠提供必要的電流而不會出現電壓下降。

噪聲和紋波：有些方法會引入噪聲；適當的過濾和佈局至關重要。

效率：電荷泵在低功率下高效，而 DC-DC 轉換器則更有效地處理更高功率。

成本和復雜性：平衡預算和設計時間與性能需求。

實際示例：使用帶有運算放大器的虛擬地

常見的實用方法是使用配置為電壓跟隨器的運算放大器在電源電壓一半的情況下創建虛擬地。對於 12V 單電源，虛擬地電壓為 6V。這允許運算放大器將+6V“視為”零，從而有效地創建相對於該虛擬地的+6V和-6V電源軌。此方法非常適用於低功耗、低頻模擬電路。

雙電源的優點

改進的信號處理：能夠處理雙極信號。

增強的電路性能：更好的線性度和減少的失真。

靈活性：支持更廣泛的模擬組件。

將單電源轉換為雙電源是電子學中的一項基本技術，可擴展許多模擬電路的功能。無論是通過虛擬地、電荷泵還是 DC-DC 轉換器，選擇取決於具體的應用要求。了解這些方法和注意事項有助於工程師設計更通用、更高效的電路。通過掌握這種轉換，您可以優化電子設計以處理複雜信號並提高整體系統性能。