中心論題：
- 單電源供電運(yùn)算放大器的偏置方法。
- 偏置電路的去耦問題。
- 運(yùn)算放大器中輸入偏置電流的影響。
- 電路參數(shù)及期間的參數(shù)選擇。
解決方案：
- SGM8541運(yùn)算放大器增強(qiáng)電源抑制能力。
- 從偏置電路的中間節(jié)點(diǎn)接電容提高電源抑制。
- 設(shè)置C2與偏置電路連接點(diǎn)帶寬是1/10信號(hào)輸入帶寬旁路掉偏置電路通頻帶內(nèi)全部噪聲。
- 在偏置電路中使用一個(gè)齊納二極管調(diào)整偏置電壓提供靜態(tài)工作點(diǎn)。
目前在許多手持設(shè)備、汽車以及計(jì)算機(jī)等設(shè)備只用單電源供電，但是單電源容易出現(xiàn)不穩(wěn)定問題，因此需要在電路外圍增加輔助器件以提高穩(wěn)定性。在電路圖1中展示了單電源供電運(yùn)算放大器的偏置方法，用電阻RA與電阻RB構(gòu)成分壓電路，并把正輸入端的電壓設(shè)置為Vs/2。輸入信號(hào)VIN是通過電容耦合到正輸入端。在該電路中有一些嚴(yán)重的局限性。
首先，電路的電源抑制幾乎沒有，電源電壓的任何變化都將直接通過兩個(gè)分壓電阻改變偏置電壓Vs/2，但電源抑制的能力是電路非常重要的特性。例如此電路的電源電壓1伏的變化，能引起偏置電路電壓的輸出Vs/2變化0.5伏。該電路的電源抑制僅僅只有6dB，通過選用SGM8541運(yùn)算放大器可以增強(qiáng)電源抑制能力。
圖1：?jiǎn)坞娫垂╇娺\(yùn)算放大器的偏置方法。
其次，運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載時(shí)電源經(jīng)常不穩(wěn)定，除非電源有很好的調(diào)節(jié)能力，或有很好的旁路，否則大的電壓波動(dòng)將回饋到電源線路上。運(yùn)算放大器的正輸入端的參考點(diǎn)將直接偏離Vs/2，這些信號(hào)將直接流入放大器的正輸入端。
表1：適用于圖2的典型器件值。
在應(yīng)用中要特別注意布局，多個(gè)電源旁路電容、星形接地、單獨(dú)的印制電源層可以提供比較穩(wěn)定的電路。
偏置電路的去耦問題
解答這個(gè)問題需要改變一下電路。圖2從偏置電路的中間節(jié)點(diǎn)接電容C2，用來旁路AC信號(hào)，這樣可以提高AC的電源抑制，電阻RIN為Vs/2的基準(zhǔn)電壓提供DC的返回通路，并且為AC輸入提供了交流輸入阻抗。
圖2：接電容C2來旁路AC信號(hào)，提高AC的電源抑制。
這個(gè)偏置電路的-3dB帶寬是通過電阻RA、RB與電容C2構(gòu)成的并且等于
此偏置電路當(dāng)頻率在30Hz以內(nèi)時(shí)，沒有電源抑制的能力，因此任何在電源線上低于30Hz的信號(hào)，能夠輕易地加到放大器的輸入端。一個(gè)通常解決這個(gè)問題的方法是增加電容值C2，它的值需要足夠的大，以便能有效地旁路掉偏置電路通頻帶以內(nèi)的全部噪聲。然而在這里比較合理的方法是，設(shè)置C2與偏置電路連接點(diǎn)的帶寬是十分之一的信號(hào)輸入帶寬，參見圖2。
表2：電路圖3和4的一些齊納二極管與Rz電阻值的關(guān)系
在有些運(yùn)算放大器中輸入偏置電流比較大是需要考慮的，由于放大器偏置電流的影響，偏置分壓電路的分壓點(diǎn)將偏離Vs/2，影響了放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。為了使放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)盡量靠近Vs/2，需要增加平衡電阻，見電路圖2。在這個(gè)電路中運(yùn)算放大器選用的是SGM8541，該放大器的輸入偏置電流在常溫下只有1-2個(gè)皮安，幾乎為零，因此可以不考慮輸入偏置電流帶來的誤差。但如果工作在非常寬的溫度范圍(-20℃-80℃)，在放大器的正負(fù)輸入端加平衡電阻能很好地阻止輸入帶來的誤差。
圖3：齊納二級(jí)管偏置電路。
設(shè)計(jì)單電源運(yùn)算放大器電路，需要考慮輸入偏置電流誤差、電源抑制、增益、以及輸入與輸出線路帶寬等等。然而普通的應(yīng)用設(shè)計(jì)是可以通過查表來獲得，見表1。在單電源電壓為15V或12V時(shí)偏置分壓的兩個(gè)電阻通常選用100kΩ，這樣可以在電源消耗與輸入偏置電流誤差之間合理的折中。5V單電源偏置分壓電阻減小到一個(gè)比較低的值，例如42kΩ。還有些在3.3V應(yīng)用中偏置分壓電阻選在27kΩ左右。
齊納二級(jí)管偏置電路
表3：電路參數(shù)及期間參數(shù)選擇。
雖然電阻偏置電路技術(shù)成本很低，并且始終能保持運(yùn)放輸出控制在Vs/2，但運(yùn)放的共模抑制能力完全依靠RA/RB與C2構(gòu)成的RC時(shí)間常數(shù)。通過使用C2可以提高至少10倍的RC(RC通過R1/C1與RIN/CIN的網(wǎng)路構(gòu)成)時(shí)間常數(shù)，這將有助于提高共模抑制比。RA與RB在使用100kΩ，并且電路帶寬沒有降低的時(shí)候，C2可以保持相當(dāng)小的容量。也可以采用其它的方法在單電源中提供偏置電壓，并且有很好的電源抑制與共模抑制。比如在偏置電路中可以使用一個(gè)齊納二極管調(diào)整偏置電壓，提供靜態(tài)工作點(diǎn)。
圖4：利用相同的齊納二極管的反相放大器電路的偏置方法。
在圖3中，電流通過電阻RZ流到齊納二極管，形成偏置工作點(diǎn)。電容CN可以阻止齊納二極管產(chǎn)生的噪聲通過反饋進(jìn)入運(yùn)放。要想實(shí)現(xiàn)低噪聲電路需要使用一個(gè)比10uF還大的CN，并且齊納二極管應(yīng)該選擇一個(gè)工作電壓在Vs/2。電阻RZ必須選擇能夠提供齊納二極管工作在穩(wěn)定的額定電壓上和保持輸出噪聲電流比較低的水平上。因?yàn)檫\(yùn)放的輸入電流只有1pA左右，幾乎接近零，所以為了減小輸出噪聲電流，低功耗的齊納二極管是非常理想的選擇。可以選擇250mW的齊納二極管，但為了考慮成本，選擇500mW的齊納二極管也是可以接受。齊納二極管的工作電流會(huì)因制造商的不同有些差別，在應(yīng)用中一般IZ在5mA(250mW)與5uA(500mW)之間比較好。
表4：電路參數(shù)及期間參數(shù)選擇
在齊納二極管的工作極限范圍之內(nèi)，采用下面電路(圖3、圖4)將有比較好的電源抑制能力。但這個(gè)電路有一些缺陷，因?yàn)檫\(yùn)放輸出的靜態(tài)工作點(diǎn)是齊納二極管的電壓而不是Vs/2。如果電源電壓下降，大信號(hào)輸出的波形將會(huì)失真(出現(xiàn)不對(duì)稱的削頂波形)，此時(shí)電路還要消耗更多的電能。電阻RIN與R2應(yīng)該選擇相同的電阻值，防止偏置電流引起更大的失調(diào)電壓誤差。
首先，電路的電源抑制幾乎沒有，電源電壓的任何變化都將直接通過兩個(gè)分壓電阻改變偏置電壓Vs/2，但電源抑制的能力是電路非常重要的特性。例如此電路的電源電壓1伏的變化，能引起偏置電路電壓的輸出Vs/2變化0.5伏。該電路的電源抑制僅僅只有6dB，通過選用SGM8541運(yùn)算放大器可以增強(qiáng)電源抑制能力。
圖1：?jiǎn)坞娫垂╇娺\(yùn)算放大器的偏置方法。
其次，運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載時(shí)電源經(jīng)常不穩(wěn)定，除非電源有很好的調(diào)節(jié)能力，或有很好的旁路，否則大的電壓波動(dòng)將回饋到電源線路上。運(yùn)算放大器的正輸入端的參考點(diǎn)將直接偏離Vs/2，這些信號(hào)將直接流入放大器的正輸入端。
表1：適用于圖2的典型器件值。
在應(yīng)用中要特別注意布局，多個(gè)電源旁路電容、星形接地、單獨(dú)的印制電源層可以提供比較穩(wěn)定的電路。
偏置電路的去耦問題
解答這個(gè)問題需要改變一下電路。圖2從偏置電路的中間節(jié)點(diǎn)接電容C2，用來旁路AC信號(hào)，這樣可以提高AC的電源抑制，電阻RIN為Vs/2的基準(zhǔn)電壓提供DC的返回通路，并且為AC輸入提供了交流輸入阻抗。
圖2：接電容C2來旁路AC信號(hào)，提高AC的電源抑制。
這個(gè)偏置電路的-3dB帶寬是通過電阻RA、RB與電容C2構(gòu)成的并且等于
此偏置電路當(dāng)頻率在30Hz以內(nèi)時(shí)，沒有電源抑制的能力，因此任何在電源線上低于30Hz的信號(hào)，能夠輕易地加到放大器的輸入端。一個(gè)通常解決這個(gè)問題的方法是增加電容值C2，它的值需要足夠的大，以便能有效地旁路掉偏置電路通頻帶以內(nèi)的全部噪聲。然而在這里比較合理的方法是，設(shè)置C2與偏置電路連接點(diǎn)的帶寬是十分之一的信號(hào)輸入帶寬，參見圖2。
表2：電路圖3和4的一些齊納二極管與Rz電阻值的關(guān)系
在有些運(yùn)算放大器中輸入偏置電流比較大是需要考慮的，由于放大器偏置電流的影響，偏置分壓電路的分壓點(diǎn)將偏離Vs/2，影響了放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。為了使放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)盡量靠近Vs/2，需要增加平衡電阻，見電路圖2。在這個(gè)電路中運(yùn)算放大器選用的是SGM8541，該放大器的輸入偏置電流在常溫下只有1-2個(gè)皮安，幾乎為零，因此可以不考慮輸入偏置電流帶來的誤差。但如果工作在非常寬的溫度范圍(-20℃-80℃)，在放大器的正負(fù)輸入端加平衡電阻能很好地阻止輸入帶來的誤差。
圖3：齊納二級(jí)管偏置電路。
設(shè)計(jì)單電源運(yùn)算放大器電路，需要考慮輸入偏置電流誤差、電源抑制、增益、以及輸入與輸出線路帶寬等等。然而普通的應(yīng)用設(shè)計(jì)是可以通過查表來獲得，見表1。在單電源電壓為15V或12V時(shí)偏置分壓的兩個(gè)電阻通常選用100kΩ，這樣可以在電源消耗與輸入偏置電流誤差之間合理的折中。5V單電源偏置分壓電阻減小到一個(gè)比較低的值，例如42kΩ。還有些在3.3V應(yīng)用中偏置分壓電阻選在27kΩ左右。
齊納二級(jí)管偏置電路
表3：電路參數(shù)及期間參數(shù)選擇。
雖然電阻偏置電路技術(shù)成本很低，并且始終能保持運(yùn)放輸出控制在Vs/2，但運(yùn)放的共模抑制能力完全依靠RA/RB與C2構(gòu)成的RC時(shí)間常數(shù)。通過使用C2可以提高至少10倍的RC(RC通過R1/C1與RIN/CIN的網(wǎng)路構(gòu)成)時(shí)間常數(shù)，這將有助于提高共模抑制比。RA與RB在使用100kΩ，并且電路帶寬沒有降低的時(shí)候，C2可以保持相當(dāng)小的容量。也可以采用其它的方法在單電源中提供偏置電壓，并且有很好的電源抑制與共模抑制。比如在偏置電路中可以使用一個(gè)齊納二極管調(diào)整偏置電壓，提供靜態(tài)工作點(diǎn)。
圖4：利用相同的齊納二極管的反相放大器電路的偏置方法。
在圖3中，電流通過電阻RZ流到齊納二極管，形成偏置工作點(diǎn)。電容CN可以阻止齊納二極管產(chǎn)生的噪聲通過反饋進(jìn)入運(yùn)放。要想實(shí)現(xiàn)低噪聲電路需要使用一個(gè)比10uF還大的CN，并且齊納二極管應(yīng)該選擇一個(gè)工作電壓在Vs/2。電阻RZ必須選擇能夠提供齊納二極管工作在穩(wěn)定的額定電壓上和保持輸出噪聲電流比較低的水平上。因?yàn)檫\(yùn)放的輸入電流只有1pA左右，幾乎接近零，所以為了減小輸出噪聲電流，低功耗的齊納二極管是非常理想的選擇。可以選擇250mW的齊納二極管，但為了考慮成本，選擇500mW的齊納二極管也是可以接受。齊納二極管的工作電流會(huì)因制造商的不同有些差別，在應(yīng)用中一般IZ在5mA(250mW)與5uA(500mW)之間比較好。
表4：電路參數(shù)及期間參數(shù)選擇
在齊納二極管的工作極限范圍之內(nèi)，采用下面電路(圖3、圖4)將有比較好的電源抑制能力。但這個(gè)電路有一些缺陷，因?yàn)檫\(yùn)放輸出的靜態(tài)工作點(diǎn)是齊納二極管的電壓而不是Vs/2。如果電源電壓下降，大信號(hào)輸出的波形將會(huì)失真(出現(xiàn)不對(duì)稱的削頂波形)，此時(shí)電路還要消耗更多的電能。電阻RIN與R2應(yīng)該選擇相同的電阻值，防止偏置電流引起更大的失調(diào)電壓誤差。
