为偏置电流提供直流回路：正确示范 VS 错误示范
时间：2021-09-30 14:03:57
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[导读]您有过这样的经历吗？设计电路时由于匆忙行事，而忽视了一些基本问题，结果使电路功能与预期不符。。。在交流耦合运算放大器或仪表放大器电路应用中，最常见的问题之一就是——没有为偏置电流提供直流回路。今天小编就为大家论述下这个问题，并且提出一种超级实用的解决方案。拿走吧~运算放大器：如何...
您有过这样的经历吗？设计电路时由于匆忙行事，而忽视了一些基本问题，结果使电路功能与预期不符。。。在交流耦合运算放大器或仪表放大器电路应用中，最常见的问题之一就是——没有为偏置电流提供直流回路。今天小编就为大家论述下这个问题，并且提出一种超级实用的解决方案。拿走吧~
运算放大器：如何为偏置电流提供直流回路
× 错误示范图1中，一个电容串接在一个运算放大器的同相( )输入端。这种交流耦合是隔离输入电压(VIN)中的直流电压的一种简单方法，在高增益应用中尤为有用。在增益较高时，即使是放大器输入端的一个较小直流电压，也会影响运放的动态范围，甚至可能导致输出饱和。然而，容性耦合进高阻抗输入端而不为正输入端中的电流提供直流路径的做法会带来一些问题。
图1 错误的交流耦合运算放大器电路
输入偏置电流流经耦合电容，给其充电，直到超过放大器输入电路的额定共模电压或超过输出限值。根据输入偏置电流的极性，电容充电或者向正电源电压方向，或者向负电源电压方向。这个偏置电压会被放大器的闭环直流增益放大。
这一过程可能较长。例如，对于一个带有场效应晶体管(FET)输入端的放大器，若其偏置电流为1 pA，通过一个0.1-μF的电容进行耦合，则其IC充电率I/C为
10-12/10-7 = 10 μV/秒
合600 μV/分。如果增益为100，则输出漂移为0.06 V/分。可见，如果采用交流耦合示波器做短时间的测试可能无法检测出这一问题，电路要在数小时后才会发生故障。总之，避免这一问题是非常重要的。
√正确展示图2所示即是一种简单的解决方案。此例中，一个电阻连接在运算放大器的输入端与地之间，从而为输入偏置电流提供了一个回路。为最小化输入偏置电流导致的失调电压，在使用双极性运放的时候，考虑运放两个输入端的匹配问题，通常将R1设为R2和R3的并联值。
图2 双电源供电运算放大器输入端交流耦合的正确方法
但要注意的是，该电阻始终会给电路带来一定噪声，因而需在电路输入阻抗、所需输入耦合电容大小与电阻引进的约翰逊噪声之间进行权衡。典型电阻值一般在100,000 Ω至1 MΩ之间。
仪表放大器：如何为偏置电流提供直流回路
×错误示范图3所示的是通过两个电容进行交流耦合的仪表放大器电路，也没有为输入偏置电流提供回路。该问题常见于采用双电源供电(图3a)和单电源供电(图3b)的仪表放大器电路中。
图3 错误的交流耦合仪表放大器电路
如图4所示，如果变压器次级电路中未提供直流到地回路，这个问题也会发生在利用变压器耦合的电路中。
图4 错误的变压器耦合仪表放大器电路
√正确展示图5和图6给出了此类电路的简单解决方案。在各输入端与地之间均添加了一个高值电阻(RA, RB)。对双电源仪表放大器电路来说，这是一个简单而实用的解决方案。电阻为输入偏置电流提供了一个放电路径。在双电源示例中，两个输入端均以地作为参考。在单电源示例中，输入端既可以地为参考(VCM接地)也可以一个偏置电压为参考，该偏置电压通常为最大输入电压范围的一半。
图5 仪表放大器变压器输入耦合的正确方法
同一原理也可用于变压器耦合输入端(图5)，除非变压器次级绕组有中心抽头，该中心抽头既可接地，也可连接至VCM。在这些电路中，存在一个因电阻和/或输入偏置电流不匹配导致的较小失调电压误差。为使此类误差最小，可在仪表放大器的两个输入端之间连接电阻值约为两个电阻十分之一(但与差分源电阻相比，该值仍较大)的另一个电阻(从而将两个电阻桥接起来)。
图6 各输入端与地之间的高值电阻提供所需的偏置电流回路ADI专家带你走进新一代主动降噪芯片！
运算放大器：如何为偏置电流提供直流回路
× 错误示范图1中，一个电容串接在一个运算放大器的同相( )输入端。这种交流耦合是隔离输入电压(VIN)中的直流电压的一种简单方法，在高增益应用中尤为有用。在增益较高时，即使是放大器输入端的一个较小直流电压，也会影响运放的动态范围，甚至可能导致输出饱和。然而，容性耦合进高阻抗输入端而不为正输入端中的电流提供直流路径的做法会带来一些问题。
图1 错误的交流耦合运算放大器电路
输入偏置电流流经耦合电容，给其充电，直到超过放大器输入电路的额定共模电压或超过输出限值。根据输入偏置电流的极性，电容充电或者向正电源电压方向，或者向负电源电压方向。这个偏置电压会被放大器的闭环直流增益放大。
这一过程可能较长。例如，对于一个带有场效应晶体管(FET)输入端的放大器，若其偏置电流为1 pA，通过一个0.1-μF的电容进行耦合，则其IC充电率I/C为
10-12/10-7 = 10 μV/秒
合600 μV/分。如果增益为100，则输出漂移为0.06 V/分。可见，如果采用交流耦合示波器做短时间的测试可能无法检测出这一问题，电路要在数小时后才会发生故障。总之，避免这一问题是非常重要的。
√正确展示图2所示即是一种简单的解决方案。此例中，一个电阻连接在运算放大器的输入端与地之间，从而为输入偏置电流提供了一个回路。为最小化输入偏置电流导致的失调电压，在使用双极性运放的时候，考虑运放两个输入端的匹配问题，通常将R1设为R2和R3的并联值。
图2 双电源供电运算放大器输入端交流耦合的正确方法
但要注意的是，该电阻始终会给电路带来一定噪声，因而需在电路输入阻抗、所需输入耦合电容大小与电阻引进的约翰逊噪声之间进行权衡。典型电阻值一般在100,000 Ω至1 MΩ之间。
仪表放大器：如何为偏置电流提供直流回路
×错误示范图3所示的是通过两个电容进行交流耦合的仪表放大器电路，也没有为输入偏置电流提供回路。该问题常见于采用双电源供电(图3a)和单电源供电(图3b)的仪表放大器电路中。
图3 错误的交流耦合仪表放大器电路
如图4所示，如果变压器次级电路中未提供直流到地回路，这个问题也会发生在利用变压器耦合的电路中。
图4 错误的变压器耦合仪表放大器电路
√正确展示图5和图6给出了此类电路的简单解决方案。在各输入端与地之间均添加了一个高值电阻(RA, RB)。对双电源仪表放大器电路来说，这是一个简单而实用的解决方案。电阻为输入偏置电流提供了一个放电路径。在双电源示例中，两个输入端均以地作为参考。在单电源示例中，输入端既可以地为参考(VCM接地)也可以一个偏置电压为参考，该偏置电压通常为最大输入电压范围的一半。
图5 仪表放大器变压器输入耦合的正确方法
同一原理也可用于变压器耦合输入端(图5)，除非变压器次级绕组有中心抽头，该中心抽头既可接地，也可连接至VCM。在这些电路中，存在一个因电阻和/或输入偏置电流不匹配导致的较小失调电压误差。为使此类误差最小，可在仪表放大器的两个输入端之间连接电阻值约为两个电阻十分之一(但与差分源电阻相比，该值仍较大)的另一个电阻(从而将两个电阻桥接起来)。
图6 各输入端与地之间的高值电阻提供所需的偏置电流回路
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