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為偏置電流提供直流回路:正確示范 VS 錯(cuò)誤示范

2021/09/30
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您有過這樣的經(jīng)歷嗎?設(shè)計(jì)電路時(shí)由于匆忙行事,而忽視了一些基本問題,結(jié)果使電路功能與預(yù)期不符。。。在交流耦合運(yùn)算放大器或儀表放大器電路應(yīng)用中,最常見的問題之一就是——沒有為偏置電流提供直流回路。今天小編就為大家論述下這個(gè)問題,并且提出一種超級(jí)實(shí)用的解決方案。拿走吧~

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)帶來一些問題。

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,直到超過放大器輸入電路的額定共模電壓或超過輸出限值。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。

這一過程可能較長。例如,對(duì)于一個(gè)帶有場效應(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?,如果采用交流耦合示波器做短時(shí)間的測試可能無法檢測出這一問題,電路要在數(shù)小時(shí)后才會(huì)發(fā)生故障。總之,避免這一問題是非常重要的。

√正確展示

圖2所示即是一種簡單的解決方案。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所示的是通過兩個(gè)電容進(jìn)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回路。該問題常見于采用雙電源供電(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給出了此類電路的簡單解決方案。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說,這是一個(gè)簡單而實(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)。

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

 

 

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