運(yùn)算放大器：如何為偏置電流提供直流回路

　　× 錯(cuò)誤示范

　　圖1中,，一個(gè)電容串接在一個(gè)運(yùn)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(jiǎn)單方法,，在高增益應(yīng)用中尤為有用。在增益較高時(shí),，即使是放大器輸入端的一個(gè)較小直流電壓,，也會(huì)影響運(yùn)放的動(dòng)態(tài)范圍，甚至可能導(dǎo)致輸出飽和,。然而,，容性耦合進(jìn)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(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。

　　圖1 錯(cuò)誤的交流耦合運(yùn)算放大器電路

　　輸入偏置電流流經(jīng)耦合電容,，給其充電,，直到超過(guò)放大器輸入電路的額定共模電壓或超過(guò)輸出限值。根據(jù)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(fù)電源電壓方向。這個(gè)偏置電壓會(huì)被放大器的閉環(huán)直流增益放大,。

　　這一過(guò)程可能較長(zhǎng),。例如，對(duì)于一個(gè)帶有場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)輸入端的放大器,，若其偏置電流為1 pA,，通過(guò)一個(gè)0.1-μF的電容進(jìn)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?？梢?jiàn),，如果采用交流耦合示波器做短時(shí)間的測(cè)試可能無(wú)法檢測(cè)出這一問(wèn)題，電路要在數(shù)小時(shí)后才會(huì)發(fā)生故障,?？傊苊膺@一問(wèn)題是非常重要的,。

　　√正確展示

　　圖2所示即是一種簡(jiǎn)單的解決方案,。此例中，一個(gè)電阻連接在運(yùn)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(gè)回路,。為最小化輸入偏置電流導(dǎo)致的失調(diào)電壓，在使用雙極性運(yùn)放的時(shí)候，考慮運(yùn)放兩個(gè)輸入端的匹配問(wèn)題,，通常將R1設(shè)為R2和R3的并聯(lián)值,。

　　圖2 雙電源供電運(yùn)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(huì)給電路帶來(lái)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(jìn)的約翰遜噪聲之間進(jìn)行權(quán)衡,。典型電阻值一般在100,000 Ω至1 MΩ之間,。

　　儀表放大器：如何為偏置電流提供直流回路

　　×錯(cuò)誤示范

　　圖3所示的是通過(guò)兩個(gè)電容進(jìn)行交流耦合的儀表放大器電路，也沒(méi)有為輸入偏置電流提供回路,。該問(wèn)題常見(jiàn)于采用雙電源供電(圖3a)和單電源供電(圖3b)的儀表放大器電路中,。

　　圖3 錯(cuò)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(jí)電路中未提供直流到地回路,，這個(gè)問(wèn)題也會(huì)發(fā)生在利用變壓器耦合的電路中,。

　　圖4 錯(cuò)誤的變壓器耦合儀表放大器電路

　　√正確展示

　　圖5和圖6給出了此類(lèi)電路的簡(jiǎn)單解決方案。在各輸入端與地之間均添加了一個(gè)高值電阻(RA, RB),。對(duì)雙電源儀表放大器電路來(lái)說(shuō),，這是一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的解決方案。電阻為輸入偏置電流提供了一個(gè)放電路徑,。在雙電源示例中,，兩個(gè)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(gè)偏置電壓為參考,，該偏置電壓通常為最大輸入電壓范圍的一半。

　　圖5 儀表放大器變壓器輸入耦合的正確方法

　　同一原理也可用于變壓器耦合輸入端(圖5),，除非變壓器次級(jí)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(gè)因電阻和/或輸入偏置電流不匹配導(dǎo)致的較小失調(diào)電壓誤差。為使此類(lèi)誤差最小,，可在儀表放大器的兩個(gè)輸入端之間連接電阻值約為兩個(gè)電阻十分之一(但與差分源電阻相比,，該值仍較大)的另一個(gè)電阻(從而將兩個(gè)電阻橋接起來(lái))。

　　圖6 各輸入端與地之間的高值電阻提供所需的偏置電流回路