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單電源運算放大器的偏置與去耦電路設(shè)計

發(fā)布時間:2008-10-14

中心論題:

  • 單電源供電運算放大器的偏置方法。
  • 偏置電路的去耦問題。
  • 運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運算放大器增強電源抑制能力。
  • 從偏置電路的中間節(jié)點接電容提高電源抑制。
  • 設(shè)置C2與偏置電路連接點帶寬是1/10信號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齊納二極管調(diào)整偏置電壓提供靜態(tài)工作點。
 
目前在許多手持設(shè)備、汽車以及計算機等設(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VIN是通過電容耦合到正輸入端。在該電路中有一些嚴重的局限性。 
       
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運算放大器可以增強電源抑制能力。 
  
圖1:單電源供電運算放大器的偏置方法。

其次,運算放大器驅(qū)動大電流負載時電源經(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,否則大的電壓波動將回饋到電源線路上。運算放大器的正輸入端的參考點將直接偏離Vs/2,這些信號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,多個電源旁路電容、星形接地、單獨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
解答這個問題需要改變一下電路。圖2從偏置電路的中間節(jié)點接電容C2,用來旁路AC信號,這樣可以提高AC的電源抑制,電阻RIN為Vs/2的基準電壓提供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,提高AC的電源抑制。

這個偏置電路的-3dB帶寬是通過電阻RA、RB與電容C2構(gòu)成的并且等于

此偏置電路當頻率在30Hz以內(nèi)時,沒有電源抑制的能力,因此任何在電源線上低于30Hz的信號,能夠輕易地加到放大器的輸入端。一個通常解決這個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與偏置電路連接點的帶寬是十分之一的信號輸入帶寬,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將偏離Vs/2,影響了放大器的靜態(tài)工作點。為了使放大器的靜態(tài)工作點盡量靠近Vs/2,需要增加平衡電阻,見電路圖2。在這個電路中運算放大器選用的是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:齊納二級管偏置電路。

設(shè)計單電源運算放大器電路,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)計是可以通過查表來獲得,見表1。在單電源電壓為15V或12V時偏置分壓的兩個電阻通常選用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,并且始終能保持運放輸出控制在Vs/2,但運放的共模抑制能力完全依靠RA/RB與C2構(gòu)成的RC時間常數(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候,C2可以保持相當小的容量。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齊納二極管調(diào)整偏置電壓,提供靜態(tài)工作點。 
  
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。電容CN可以阻止齊納二極管產(chǎn)生的噪聲通過反饋進入運放。要想實現(xiàn)低噪聲電路需要使用一個比10uF還大的CN,并且齊納二極管應(yīng)該選擇一個工作電壓在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。因為運放的輸入電流只有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??梢赃x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。但這個電路有一些缺陷,因為運放輸出的靜態(tài)工作點是齊納二極管的電壓而不是Vs/2。如果電源電壓下降,大信號輸出的波形將會失真(出現(xiàn)不對稱的削頂波形),此時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。

 

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