放大器電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵事項(xiàng)精華匯總（一）

引言

與分立器件相比，現(xiàn)代集成運(yùn)算放大器(op amp)和儀表放大器(in-amp)為設(shè)計(jì)工程師帶來了許多好處。雖然提供了許多巧妙、有用并且吸引人的電路。往往都是這樣，由于倉促地組裝電路而會忽視了一些非常基本的問題，從而導(dǎo)致電路不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能——或者可能根本不工作。

本文將討論一些最常見的應(yīng)用問題，并給出實(shí)用的解決方案。

AC耦合時(shí)缺少DC偏置電流回路

最常遇到的一個(gè)應(yīng)用問題是在交流(AC)耦合運(yùn)算放大器或儀表放大器電路中沒有提供偏置電流的直流(DC)回路。在圖1中，一只電容器與運(yùn)算放大器的同相輸入端串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)AC耦合，這是一種隔離輸入電壓(VIN)的DC分量的簡單方法。這在高增益應(yīng)用中尤其有用，在那些應(yīng)用中哪怕運(yùn)算放大器輸入端很小的直流電壓都會限制動態(tài)范圍，甚至導(dǎo)致輸出飽和。然而，在高阻抗輸入端加電容耦合，而不為同相輸入端的電流提供DC通路，會出現(xiàn)問題。

圖1. 錯(cuò)誤的運(yùn)算放大器AC耦合輸入

實(shí)際上，輸入偏置電流會流入耦合的電容器，并為它充電，直到超過放大器輸入電路的共模電壓的額定值或使輸出達(dá)到極限。根據(jù)輸入偏置電流的極性，電容器會充電到電源的正電壓或負(fù)電壓。放大器的閉環(huán)DC增益放大偏置電壓。

這個(gè)過程可能會需要很長時(shí)間。例如，一只場效應(yīng)管(FET)輸入放大器，當(dāng)1 pA的偏置電流與一個(gè)0.1 µF電容器耦合時(shí)，其充電速率I/C為10-12/10-7=10 µV/s，或每分鐘600 µV。如果增益為100，那么輸出漂移為每分鐘0.06 V。因此，一般實(shí)驗(yàn)室測試(使用AC耦合示波器)無法檢測到這個(gè)問題，而電路在數(shù)小時(shí)之后才會出現(xiàn)問題。顯然，完全避免這個(gè)問題非常重要。

圖2. 正確的雙電源供電運(yùn)算放大器AC耦合輸入方法

圖2示出了對這常見問題的一種簡單的解決方案。這里，在運(yùn)算放大器輸入端和地之間接一只電阻器，為輸入偏置電流提供一個(gè)對地回路。為了使輸入偏置電流造成的失調(diào)電壓最小，當(dāng)使用雙極性運(yùn)算放大器時(shí)，應(yīng)該使其兩個(gè)輸入端的偏置電流相等，所以通常應(yīng)將R1的電阻值設(shè)置成等于R2和R3的并聯(lián)阻值。

然而，應(yīng)該注意的是，該電阻器R1總會在電路中引入一些噪聲，因此要在電路輸入阻抗、輸入耦合電容器的尺寸和電阻器引起的Johnson噪聲之間進(jìn)行折衷。典型的電阻器阻值一般在100，000Ω ~1 MΩ之間。

類似的問題也會出現(xiàn)在儀表放大器電路中。圖3示出了使用兩只電容器進(jìn)行AC耦合的儀表放大器電路，沒有提供輸入偏置電流的返回路徑。這個(gè)問題在使用雙電源(圖3a)和單電源(圖3b)供電的儀表放大器電路中很常見。

圖3. 不工作的AC耦合儀表放大器實(shí)例

這類問題也會出現(xiàn)在變壓器耦合放大器電路中，如圖4所示，如果變壓器次級電路中沒有提供DC對地回路，該問題就會出現(xiàn)。

圖4. 不工作的變壓器耦合儀表放大器電路

圖5和圖6示出了這些電路的簡單解決方案。這里，在每一個(gè)輸入端和地之間都接一個(gè)高阻值的電阻器(RA，RB)。這是一種適合雙電源儀表放大器電路的簡單而實(shí)用的解決方案。

圖5. 每個(gè)輸入端與地之間都接一個(gè)高阻值的電阻器以提供必需的偏置電流回路。

a. 雙電源， b. 單電源

這兩只電阻器為輸入偏置電流提供了一個(gè)放電回路。在圖5所示的雙電源例子中，兩個(gè)輸入端的參考端都接地。在圖5b所示的單電源例子中，兩個(gè)輸入端的參考端或者接地(VCM接地)或者接一個(gè)偏置電壓，通常為最大輸入電壓的一半。

同樣的原則也可以應(yīng)用到變壓器耦合輸入電路(見圖6)，除非變壓器的次級有中間抽頭，它可以接地或接VCM。

在該電路中，由于兩只輸入電阻器之間的失配和(或)兩端輸入偏置電流的失配會產(chǎn)生一個(gè)小的失調(diào)電壓誤差。為了使失調(diào)誤差最小，在儀表放大器的兩個(gè)輸入端之間可以再接一只電阻器(即橋接在兩只電阻器之間)，其阻值大約為前兩只電阻器的1/10th(但與差分源阻抗相比仍然很大)。

圖6. 正確的儀表放大器變壓器輸入耦合方法

為儀表放大器、運(yùn)算放大器和ADC提供參考電壓

圖7示出一個(gè)儀表放大器驅(qū)動一個(gè)單端輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的單電源電路。該放大器的參考電壓提供一個(gè)對應(yīng)零差分輸入時(shí)的偏置電壓，而ADC的參考電壓則提供比例因子。在儀表放大器的輸出端和ADC的輸入端之間通常接一個(gè)簡單的RC低通抗混疊濾波器以減少帶外噪聲。設(shè)計(jì)工程師通?？傁氩捎煤唵蔚姆椒?，例如電阻分壓器，為儀表放大器和ADC提供參考電壓。因此在使用某些儀表放大器時(shí)，會產(chǎn)生誤差。

圖7. 儀表放大器驅(qū)動ADC的典型單電源電路

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