关于交流耦合运算放大器设计详解

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最常遇到的一个应用问题是在交流(AC)藕合运算放大器或仪表放大器电路中没有提供偏置电流的直流(DC)回路。在图1中，一只电容器与运算放大器的同相输入端串联以实现AC耦合，这是一种隔离输入电压(VIN)的DC分量的简单方动态范围，甚至导致输出饱和。然而，在高阻抗输入端加电容耦合，而不为同相输入端的电流提供DC通路，会出现问题。

图1.错误的运算放大器AC耦合

实际上，输入偏置电流会流入耦合的电容器，并为它充电，直到超过放大器输入电路的共模电压的额定值或使输出达到极限。根据输入偏置电流的极性，电容器会充电到电源的正电压或负电压。放大器的闭环DC增益放大偏置电压。这个过程可能会需要很长时间。例如，一只场效应管(FET)输入放大器，当1 pA的偏置电流与一个0.1μF电容器耦合时，其充电速率I/C为10–12/10–7=10 μV/s，或每分钟600μV。如果增益为100，那么输出漂移为每分钟0.06 V。因此，一般实验室测试使用AC耦合示波器)无法检测到这个问题，而电路在数小时之后才会出现问题。显然，完全避免这个问题非常重要。
图2.正确双电源供电运算放大器

图2示出了对这常见问题的一种简单的解决方案。这里，在运算放大器输入端和地之间接一只电阻器，为输入偏置电流提供一个对地回路。为了使输入偏置电流造成的失调电压最小，当使用双极性运算放大器时，应该使其两个输入端的偏置电流相等，所以通常应将R1的电阻值设置成等于R2和R3的并联阻值。然而，应该注意的是，该电阻器R1总会在电路中引入一些噪声，因此要在电路输入阻抗、输入耦合电容器的尺寸和电阻器引起的Johnson噪声之间进行折衷。典型的电阻器阻值一般在100，000Ω ～1 MΩ之间。类似的问题也会出现在仪表放大器电路中。图3示出了使用两只电容器进行AC耦合的仪表放大器电路，没有提供输入偏置电流的返回路径。这个问题在使用双电源(图3a)和单电源(图3b)供电的仪表放大器电路中很常见。

图3.不工作的AC耦合仪表放大器实例

这类问题也会出现在变压器耦合放大器电路中，如图4所示，如果变压器次级电路中没有提供DC对地回路，该问题就会出现。

图4.不工作的变压器耦合仪表放大器电路

图5和图6示出了这些电路的简单解决方案。这里，在每一个输入端和地之间都接一个高阻值的电阻器(RA，BR)。这是一种适合双电源仪表放大器电路的简单而实用的解决方案。
a.双电源. b.单电源.

这两只电阻器为输入偏置电流提供了一个放电回路。在图5所示的双电源例子中，两个输入端的参考端都接地。在图5b所示的单电源例子中，两个输入端的参考端或者接地(VCM接地)或者接一个偏置电压，通常为最大输入电压的一半。同样的原则也可以应用到变压器耦合输入电路(见图6)，除非变压器的次级有中间抽头，它可以接地或接VCM。在该电路中，由于两只输入电阻器之间的失配和(或)两端输入偏置电流的失配会产生一个小的失调电压误差。为了使失调误差最小，在仪表放大器的两个输入端之间可以再接一只电阻器(即桥接在两只电阻器之间)，其阻值大约为前两只电阻器的1/10(但与差分源阻抗相比仍然很大)。


图6.正确的仪表放大器变压器输入耦合方法

为仪表放大器、运算放大器和ADC提供参考电压

图7示出一个仪表放大器驱动一个单端输入的模数转换器(ADC)的单电源电路。该放大器的参考电压提供一个对应零差分输入时的偏置电压，而ADC的参考电压则提供比例因子。在仪表放大器的输出端和ADC的输入端之间通常接一个简单的RC低通抗混叠滤波器以减少带外噪声。设计工程师通常总想采用简单的方法，例如电阻分压器，为仪表放大器和ADC提供参考电压。因此在使用某些仪表放大器时，会产生误差。


图7.仪表放大器驱动ADC的典型单电源电路