放大器設(shè)計(jì)中常見基本問題的解決辦法
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AC耦合時(shí)缺少DC偏置電流回路
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/327931.htm
最常遇到的一個(gè)應(yīng)用問題是在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回路。如上圖所示，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)耦合，這是一種隔離輸入電壓Vin的DC分量的簡(jiǎn)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(huì)限制動(dòng)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(huì)出現(xiàn)問題。
實(shí)際上，輸入偏置電流會(huì)流入耦合的電容器，并給它充電，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(huì)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(huì)需要很長(zhǎng)時(shí)間，例如，一只場(chǎng)效應(yīng)管輸入放大器，在lpA的偏置電流與一個(gè)0.1霧電容器耦合時(shí)，其充電速奉I(lǐng)/C為10的-12次方/10的-7次方=lO霽/s.如果增益為100,那么輸出漂移為每分鐘0.06V.因此，一般實(shí)驗(yàn)室測(cè)試(使用AC耦合示波器)無法檢測(cè)到這個(gè)問題，而電路在數(shù)小時(shí)之后才會(huì)出現(xiàn)問題。顯然，完全避免這個(gè)問題非常重要。
上圖所示為對(duì)出現(xiàn)這一問題的解決方法，這里，在運(yùn)算放大器輸入端和地之間接一只電阻，為輸入偏置電流提供一個(gè)對(duì)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Rl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Rl總會(huì)在電路中引入一些噪聲，因此要在電路輸入阻抗、輸入耦合電容的尺寸等之間進(jìn)行折中，典型的電阻值為100000Ω-1MΩ之間。
類似的問題也會(huì)出現(xiàn)在儀表放大器電路中，上圖所示為使用兩只電容進(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)問題在使用雙電源和單電源供電的儀表放大器電路中都常見。這類問題也會(huì)出現(xiàn)在變壓器耦合放大器電路中，如下圖所示，如果變壓器次極電路中沒有提供DC對(duì)地回路，該問題就會(huì)出現(xiàn)。
上圖和下圖為這些電路的簡(jiǎn)單解決辦法，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(RA、RB)，這是一種適合雙電源儀器放大器電路的簡(jiǎn)單而實(shí)用的方法。這兩只電阻為輸入偏置電流提供了放電回路，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5所示的單電源例子中，兩個(gè)輸入端的參考端接地或者接一個(gè)偏置電壓，通常偏置電壓為最大輸入電壓的l/2.
同樣的原則也可以應(yīng)用到變壓器耦合輸入電路(上圖)，除非變壓器的次極有中間抽頭，它可以接地或者接VCM.在該電路中，由于兩只輸入電阻之間的失配和兩端輸入偏置電流的失配會(huì)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(即橋接在兩只電阻之間)，其阻值大約為前兩只電阻的l/10.
為放大器和ADC提供參考電壓
上圖所示為一個(gè)儀表放大器驅(qū)動(dòng)一個(gè)單端輸入的ADC的單電源電路，該放大器的參考電壓提供一個(gè)對(duì)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(jiǎn)單的RC低通抗混疊濾波器以減少帶外噪聲。一般在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們常常采用簡(jiǎn)單的方法為放大器和ADC提供參考電壓，如電阻分壓器等，這樣會(huì)產(chǎn)生誤差。
正確提供儀表放大器的參考電壓
一般假設(shè)儀表放大器的參考輸入端為高阻抗，因?yàn)樗且粋€(gè)輸入端，所以使設(shè)計(jì)人員一般總想在儀表放大器的參考端引腳接入一個(gè)高阻抗源，例如電阻分壓器(如上圖)，這樣在某些類型儀表放大器的使用中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。上圖中，信號(hào)總增益G=(1+R5/RG+R6/RG)R2/R1,這里R2/R1=R4/R30參考電壓輸入端的增益為1(如果從低阻抗電壓源輸入)，但是在上圖電路中，儀表放大器的參考輸入端引腳直接與一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器相連，這會(huì)改變減法器電路的對(duì)稱性和分壓器的分壓比，還會(huì)降低儀表放大器的共模抑制比及其增益精度。然而，如果接入R4,那么該電阻的等效電阻會(huì)變小，減小的電阻值等于從分壓器的兩個(gè)并聯(lián)支路看過去的阻值(50k,該電路表現(xiàn)為一個(gè)大小為電源電壓的1/2的低阻抗電壓源被加在原值R4上，減法器電路的精度保持不變。
如果儀表放大器采用一個(gè)集成電路，則不能使用這種方法，此外，還要考慮分壓電阻的溫度系數(shù)應(yīng)該與R4和減法器中的電阻保持一致，參考電壓不可調(diào)。另一方面，如果嘗試減小分壓電阻的阻值使增加的電阻大小可忽略，這樣會(huì)增大電源電流的消耗和電路的功耗。上圖是一個(gè)解決此問題的好方法，在分壓器和儀表放大器參考電壓輸入端之間加一個(gè)低功耗運(yùn)算放大器緩沖器，這樣會(huì)消除阻抗匹配和溫度系數(shù)匹配問題，而且很容易對(duì)參考電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)從電源電壓利用分壓器為放大器提供參考電壓時(shí)應(yīng)保證PSR性能一個(gè)經(jīng)常忽視的問題是電源電壓Vs的噪聲、瞬變或漂移都會(huì)通過參考輸入按照分壓比經(jīng)過衰減后直接加在輸出端，實(shí)際的解決方案包括旁路濾波以及甚至使用精密參考電壓集成電路產(chǎn)生的參考電壓，以代替Vs分壓。
當(dāng)設(shè)計(jì)帶有儀表放大器
和運(yùn)算放大器的電路時(shí)，這方面的考慮很重要，電源電壓抑制技術(shù)用來隔離放大器免受其電源電壓中的交流聲、噪聲和任何瞬態(tài)電壓變化的影響，這是非常重要的，因?yàn)樵S多實(shí)際電路都包含、連接著或存在于只能提供非理想的電源電壓的環(huán)境之中。另外，電力線中的交流信號(hào)會(huì)反饋到電路中被放大，而且在適當(dāng)?shù)臈l件下會(huì)引起寄生振蕩。
現(xiàn)有的放大器都提供頻率相當(dāng)?shù)偷碾娫措妷阂种颇芰?，一般PSR指標(biāo)在80~100dB以上，可以將電源電壓的變化影響衰減到1/10000~1/100000,當(dāng)然要使用高頻旁路電容。此外，當(dāng)采用簡(jiǎn)單的電源電壓電阻分壓器并用一只運(yùn)算放大器緩沖器為儀表放大器提供參考電壓時(shí)，電源電壓中的任何變化都會(huì)通過該電路不經(jīng)過衰減直接進(jìn)入儀表放大器的輸出級(jí)，因此，除非提供低通濾波器，否則，集成電路優(yōu)良的PSR性能會(huì)丟失。
在上圖中，在分壓器的輸出端增加一個(gè)大電容以濾除電源電壓的變化，并且保證PSR性能。濾波器的-3dB極點(diǎn)由電阻Rl/R2并聯(lián)和電容Cl決定，-3dB極點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置在最低有用頻率的1/10處。圖10中的CF值能夠提供大約0.03Hz的-3dB極點(diǎn)頻率，接在R3兩端的0.01霧電容可使電阻的噪聲最小，該濾波器充電需要10~15s的時(shí)間。
下圖為對(duì)上圖電路的改進(jìn)，在下圖中，運(yùn)算放大器緩沖器起到一個(gè)有源濾波器的作用，它允許使用電容值小的電容對(duì)同樣大的電源退耦，此外，有源濾波器可以用來提高Q值，從而加快導(dǎo)通時(shí)間。下圖電路中，電源電壓為12V時(shí)，對(duì)儀表放大器的6V參考電壓提供濾波，將儀表放大器的增益設(shè)置為1,采用頻率變化的1VP-P正弦信號(hào)調(diào)制12V電源，在這樣的條件下，隨著頻率的減小到大約8Hz時(shí)，我們?cè)谑静ㄆ魃暇涂床坏紸C信號(hào)了。當(dāng)對(duì)儀表放大器施加低幅度輸入信號(hào)時(shí)，該電路的測(cè)試電源電壓范圍是4~25V,電路的導(dǎo)通時(shí)間大約為2s.
單電源運(yùn)算放大器的退耦
最后，單電源運(yùn)算放大器電路需要偏置共模輸入電壓幅度以控制AC信號(hào)的正向擺幅和負(fù)向擺幅。當(dāng)從電源電壓利用分壓器提供偏置電壓時(shí)，為了保證PSR的性能就需要合適的退耦。一般常常是用l00k俚繾杓霧的電容提供Vs/2給運(yùn)算放大器的同相輸入端，使用小容量的電容對(duì)電源退偶耦通常是不夠的，因?yàn)闃O點(diǎn)僅為32Hz,所以電路出現(xiàn)不穩(wěn)定，特別是在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)。
上圖和下圖所示分別為反相輸入和同相輸入時(shí)達(dá)到最佳退耦結(jié)果的Vs/2偏置電路，在兩種情況中，偏置電壓加在同相輸入端，反饋到反向輸入端以保證相同的偏置電壓，而且單位DC增益也要偏置相同的輸出電壓。耦合電容Cl使低頻增益從BW3降到單位增益。一般采用100Ω電阻分壓器時(shí)，為獲得0.3Hz的-3dB截止頻率，應(yīng)當(dāng)選用的C2最小為10μF.
評(píng)論