如何為偏置電流提供直流迴路?正確示範 VS 錯誤示範

2020-12-08 電子工程專輯

您有過這樣的經歷嗎？設計電路時由於匆忙行事，而忽視了一些基本問題，結果使電路功能與預期不符。。。在交流耦合運算放大器或儀表放大器電路應用中，最常見的問題之一就是——沒有為偏置電流提供直流迴路。今天小編就為大家論述下這個問題，並且提出一種超級實用的解決方案。拿走吧~


圖1中，一個電容串接在一個運算放大器的同相(+)輸入端。這種交流耦合是隔離輸入電壓(VIN)中的直流電壓的一種簡單方法，在高增益應用中尤為有用。在增益較高時，即使是放大器輸入端的一個較小直流電壓，也會影響運放的動態範圍，甚至可能導致輸出飽和。然而，容性耦合進高阻抗輸入端而不為正輸入端中的電流提供直流路徑的做法會帶來一些問題。


圖1 錯誤的交流耦合運算放大器電路


輸入偏置電流流經耦合電容，給其充電，直到超過放大器輸入電路的額定共模電壓或超過輸出限值。根據輸入偏置電流的極性，電容充電或者向正電源電壓方向，或者向負電源電壓方向。這個偏置電壓會被放大器的閉環直流增益放大。


這一過程可能較長。例如，對於一個帶有場效應電晶體(FET)輸入端的放大器，若其偏置電流為1 pA，通過一個0.1-μF的電容進行耦合，則其IC充電率I/C為


10-12/10-7 = 10 μV/秒


合600 μV/分。如果增益為100，則輸出漂移為0.06 V/分。可見，如果採用交流耦合示波器做短時間的測試可能無法檢測出這一問題，電路要在數小時後才會發生故障。總之，避免這一問題是非常重要的。


圖2所示即是一種簡單的解決方案。此例中，一個電阻連接在運算放大器的輸入端與地之間，從而為輸入偏置電流提供了一個迴路。為最小化輸入偏置電流導致的失調電壓，在使用雙極性運放的時候，考慮運放兩個輸入端的匹配問題，通常將R1設為R2和R3的並聯值。


圖2 雙電源供電運算放大器輸入端交流耦合的正確方法


但要注意的是，該電阻始終會給電路帶來一定噪聲，因而需在電路輸入阻抗、所需輸入耦合電容大小與電阻引進的詹森噪聲之間進行權衡。典型電阻值一般在100,000 Ω至1 MΩ之間。


圖3所示的是通過兩個電容進行交流耦合的儀表放大器電路，也沒有為輸入偏置電流提供迴路。該問題常見於採用雙電源供電(圖3a)和單電源供電(圖3b)的儀表放大器電路中。


圖3 錯誤的交流耦合儀表放大器電路


如圖4所示，如果變壓器次級電路中未提供直流到地迴路，這個問題也會發生在利用變壓器耦合的電路中。


圖4 錯誤的變壓器耦合儀表放大器電路


圖5和圖6給出了此類電路的簡單解決方案。在各輸入端與地之間均添加了一個高值電阻(RA, RB)。對雙電源儀表放大器電路來說，這是一個簡單而實用的解決方案。電阻為輸入偏置電流提供了一個放電路徑。在雙電源示例中，兩個輸入端均以地作為參考。在單電源示例中，輸入端既可以地為參考(VCM接地)也可以一個偏置電壓為參考，該偏置電壓通常為最大輸入電壓範圍的一半。


圖5 儀表放大器變壓器輸入耦合的正確方法


同一原理也可用於變壓器耦合輸入端(圖5)，除非變壓器次級繞組有中心抽頭，該中心抽頭既可接地，也可連接至VCM。在這些電路中，存在一個因電阻和/或輸入偏置電流不匹配導致的較小失調電壓誤差。為使此類誤差最小，可在儀表放大器的兩個輸入端之間連接電阻值約為兩個電阻十分之一(但與差分源電阻相比，該值仍較大)的另一個電阻(從而將兩個電阻橋接起來)。


圖6 各輸入端與地之間的高值電阻提供所需的偏置電流迴路


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