放大器设计中常见问题的解决方法

周永强

摘 要：在设计放大器过程中通常会遇到各种问题，如交流耦合放大器或仪表放大器中没有提供直流偏置回路，在要求较高的放大器中的参考电压问题作用各异的放大器对参考电压的要求会不同，同时单电源或双电源供电的放大器对参考电压的要求也会不同。本文就放大器设计过程中对于偏置电流和参考电压提出了几种不同的解决方法。

关键词：放大器；偏置电流；参考电压

1 交流耦合放大器的偏置电流处理

交流放大器往往采用阻容耦合的形式来隔离输入信号的直流分量，这种方法在设计高增益放大器时更为常见，阻容耦合交流放大器如图1所示。如果在输入端接入隔直电容而不提供直流偏置通路就容易出现问题。

然而，输入信号的直流分量会对电容充电，使其端电压超过共模电压或输出电压的极限。根据输入电流的极性会使电容器两端的电压上升到电源电压（正电压值或负电压值），同时放大器的闭环DC增益也会放大偏置电压。这个充电过程可能需要很长的时间来完成，而一般设备又很难检测到。

解决这个问题的办法可以考虑在原电路的基础上为输入端增加一直流偏置电路。图1虚线框中R1的作用就是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，为使其两个输入端的偏置电流相等，R1的取值通常为R2、R2并联等效值。然而，Rl总会将电源的早上引入到电路中，在考虑到输入阻抗和耦合电容尺寸时，R1典型的取值通常在100KΩ-1MΩ之间。

2 仪表用放大器的偏置电流处理

如图2所示为使用两只电容进行AC耦合的仪表放大器中，没有提供输入偏置电流的返回路径，这个问题在单电源或双电源供电的仪表放大器电路中都常见。这类问题也会出现在变压器耦合放大器电路中，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。

仪表放大器偏置回路的简单解决办法是在输入端（同相端和反相端）与地之间都接一个高阻值电阻（RA、RB），图2中虚线部分，这种简单使用的方法比较适合双电源仪表用放大器。在采用单电源供电的放大器中，两个参考端也可接一个偏置电压，通常偏置电压取电源电压的1/2。

3 仪表放大器参考电压的处理

为了简便，在设计电路时都采用简单的方法为放大器和ADC提供参考电压，但这样会产生误差，甚至影响电路的工作。

设计电路时，仪表放大器的参考电压输入端都假设为高阻抗，所以总想在参考电压端接入一个高阻抗源，如图3所示中采用的电阻分压器，这样在某些类型仪表放大器的使用中会产生严重的误差。

仪表放大器的参考电压输入端直接与一个简单的分压器相连，这会改变减法器的对称性和分压器的分压比，还会降低仪表放大器的共模抑制比及其增益精度。然而，如果接入R4，则该电阻的等效电阻会变小，减小的电阻值等于从分压器的两个并联支路看进去的等效电阻值50k，该电路表现为一个大小为电源电压一般的低阻抗电压源被加在原值R4上，减法器电路的精度保持不变。

仪表放大器采用一个IC实现的话，这种方法就不在适用，同时还要考虑分压电阻的温度系数应与R4和减法器中的电阻保持一致，参考电压不可调。另外，如果采取减小分压电阻阻值的方法使电阻的大小变换忽略会增大电源和电路的功耗。

在分压器和仪表放大器参考电压输入端之间增设一个低功耗运算放大器组成的缓冲器可以解决这个问题。因为这样可以消除阻抗匹配和温度系数匹配的问题，调节参考电压也更方便。为了保证PSR性能，在设计放大器时就容易忽略电源噪声、瞬变或漂移通过参考端分压比经过衰减后直接送到输入端，可以采用旁路甚至精密参考电压产生电路来替代电阻分压器。

如图4所示电路，在分压器的输出端增加一个大容量电容器来滤除电源电压的变化所带来的影响，同时也保证了PSR性能。滤波器的-3dB极点由电阻R1/R2并联和电容C1决定，-3dB极点应该设置在最低有用频率的1/10处。图中的CF能够提供大约0.03Hz的-3dB极点频率，接在R3两端的0.01uF电容可使电阻的噪声最小，该滤波器充电时间大约为10～15s。

[参考文献]

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