放大器電路設(shè)計關(guān)鍵事項精華匯總（一）

引言

與分立器件相比，現(xiàn)代集成運算放大器(op amp)和儀表放大器(in-amp)為設(shè)計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，并給出實用的解決方案。

AC耦合時缺少DC偏置電流回路

最常遇到的一個應(yīng)用問題是在交流(AC)耦合運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，一只電容器與運算放大器的同相輸入端串聯(lián)以實現(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. 錯誤的運算放大器AC耦合輸入

實際上，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。

這個過程可能會需要很長時間。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0.1 µF電容器耦合時，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，一般實驗室測試(使用AC耦合示波器)無法檢測到這個問題，而電路在數(shù)小時之后才會出現(xiàn)問題。顯然，完全避免這個問題非常重要。

圖2. 正確的雙電源供電運算放大器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)使用雙極性運算放大器時，應(yīng)該使其兩個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，在每一個輸入端和地之間都接一個高阻值的電阻器(RA，RB)。這是一種適合雙電源儀表放大器電路的簡單而實用的解決方案。

圖5. 每個輸入端與地之間都接一個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放電回路。在圖5所示的雙電源例子中，兩個輸入端的參考端都接地。在圖5b所示的單電源例子中，兩個輸入端的參考端或者接地(VCM接地)或者接一個偏置電壓，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、運算放大器和ADC提供參考電壓

圖7示出一個儀表放大器驅(qū)動一個單端輸入的模數(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對應(yīng)零差分輸入時的偏置電壓，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簡單的RC低通抗混疊濾波器以減少帶外噪聲。設(shè)計工程師通?？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，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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