放大器設(shè)計中常見問題的解決方法

周永強

摘 要：在設(shè)計放大器過程中通常會遇到各種問題，如交流耦合放大器或儀表放大器中沒有提供直流偏置回路，在要求較高的放大器中的參考電壓問題作用各異的放大器對參考電壓的要求會不同，同時單電源或雙電源供電的放大器對參考電壓的要求也會不同。本文就放大器設(shè)計過程中對于偏置電流和參考電壓提出了幾種不同的解決方法。

關(guān)鍵詞：放大器；偏置電流；參考電壓

1 交流耦合放大器的偏置電流處理

交流放大器往往采用阻容耦合的形式來隔離輸入信號的直流分量，這種方法在設(shè)計高增益放大器時更為常見，阻容耦合交流放大器如圖1所示。如果在輸入端接入隔直電容而不提供直流偏置通路就容易出現(xiàn)問題。

然而，輸入信號的直流分量會對電容充電，使其端電壓超過共模電壓或輸出電壓的極限。根據(jù)輸入電流的極性會使電容器兩端的電壓上升到電源電壓（正電壓值或負電壓值），同時放大器的閉環(huán)DC增益也會放大偏置電壓。這個充電過程可能需要很長的時間來完成，而一般設(shè)備又很難檢測到。

解決這個問題的辦法可以考慮在原電路的基礎(chǔ)上為輸入端增加一直流偏置電路。圖1虛線框中R1的作用就是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，為使其兩個輸入端的偏置電流相等，R1的取值通常為R2、R2并聯(lián)等效值。然而，Rl總會將電源的早上引入到電路中，在考慮到輸入阻抗和耦合電容尺寸時，R1典型的取值通常在100KΩ-1MΩ之間。

2 儀表用放大器的偏置電流處理

如圖2所示為使用兩只電容進行AC耦合的儀表放大器中，沒有提供輸入偏置電流的返回路徑，這個問題在單電源或雙電源供電的儀表放大器電路中都常見。這類問題也會出現(xiàn)在變壓器耦合放大器電路中，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)。

儀表放大器偏置回路的簡單解決辦法是在輸入端（同相端和反相端）與地之間都接一個高阻值電阻（RA、RB），圖2中虛線部分，這種簡單使用的方法比較適合雙電源儀表用放大器。在采用單電源供電的放大器中，兩個參考端也可接一個偏置電壓，通常偏置電壓取電源電壓的1/2。

3 儀表放大器參考電壓的處理

為了簡便，在設(shè)計電路時都采用簡單的方法為放大器和ADC提供參考電壓，但這樣會產(chǎn)生誤差，甚至影響電路的工作。

設(shè)計電路時，儀表放大器的參考電壓輸入端都假設(shè)為高阻抗，所以總想在參考電壓端接入一個高阻抗源，如圖3所示中采用的電阻分壓器，這樣在某些類型儀表放大器的使用中會產(chǎn)生嚴重的誤差。

儀表放大器的參考電壓輸入端直接與一個簡單的分壓器相連，這會改變減法器的對稱性和分壓器的分壓比，還會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，則該電阻的等效電阻會變小，減小的電阻值等于從分壓器的兩個并聯(lián)支路看進去的等效電阻值50k，該電路表現(xiàn)為一個大小為電源電壓一般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。

儀表放大器采用一個IC實現(xiàn)的話，這種方法就不在適用，同時還要考慮分壓電阻的溫度系數(shù)應(yīng)與R4和減法器中的電阻保持一致，參考電壓不可調(diào)。另外，如果采取減小分壓電阻阻值的方法使電阻的大小變換忽略會增大電源和電路的功耗。

在分壓器和儀表放大器參考電壓輸入端之間增設(shè)一個低功耗運算放大器組成的緩沖器可以解決這個問題。因為這樣可以消除阻抗匹配和溫度系數(shù)匹配的問題，調(diào)節(jié)參考電壓也更方便。為了保證PSR性能，在設(shè)計放大器時就容易忽略電源噪聲、瞬變或漂移通過參考端分壓比經(jīng)過衰減后直接送到輸入端，可以采用旁路甚至精密參考電壓產(chǎn)生電路來替代電阻分壓器。

如圖4所示電路，在分壓器的輸出端增加一個大容量電容器來濾除電源電壓的變化所帶來的影響，同時也保證了PSR性能。濾波器的-3dB極點由電阻R1/R2并聯(lián)和電容C1決定，-3dB極點應(yīng)該設(shè)置在最低有用頻率的1/10處。圖中的CF能夠提供大約0.03Hz的-3dB極點頻率，接在R3兩端的0.01uF電容可使電阻的噪聲最小，該濾波器充電時間大約為10～15s。

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