引言

與分立器件相比，現代集成運算放大器(op amp)和儀表放大器(in-amp)為設計工程師帶來了許多好處。雖然提供了許多巧妙、有用并且吸引人的電路。往往都是這樣，由于倉促地組裝電路而會忽視了一些非常基本的問題，從而導致電路不能實現預期功能——或者可能根本不工作。

本文將討論一些最常見的應用問題，并給出實用的解決方案。

AC耦合時缺少DC偏置電流回路

最常遇到的一個應用問題是在交流(AC)耦合運算放大器或儀表放大器電路中沒有提供偏置電流的直流(DC)回路。在圖1中，一只電容器與運算放大器的同相輸入端串聯以實現AC耦合，這是一種隔離輸入電壓(VIN)的DC分量的簡單方法。這在高增益應用中尤其有用，在那些應用中哪怕運算放大器輸入端很小的直流電壓都會限制動態(tài)范圍，甚至導致輸出飽和。然而，在高阻抗輸入端加電容耦合，而不為同相輸入端的電流提供DC通路，會出現問題。

實際上，輸入偏置電流會流入耦合的電容器，并為它充電，直到超過放大器輸入電路的共模電壓的額定值或使輸出達到極限。根據輸入偏置電流的極性，電容器會充電到電源的正電壓或負電壓。放大器的閉環(huán)DC增益放大偏置電壓。

這個過程可能會需要很長時間。例如，一只場效應管(FET)輸入放大器，當1 pA的偏置電流與一個0.1 µF電容器耦合時，其充電速率I/C為10-12/10-7=10 µV/s，或每分鐘600 µV。如果增益為100，那么輸出漂移為每分鐘0.06 V。因此，一般實驗室測試(使用AC耦合示波器)無法檢測到這個問題，而電路在數小時之后才會出現問題。顯然，完全避免這個問題非常重要。

圖2示出了對這常見問題的一種簡單的解決方案。這里，在運算放大器輸入端和地之間接一只電阻器，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電壓最小，當使用雙極性運算放大器時，應該使其兩個輸入端的偏置電流相等，所以通常應將R1的電阻值設置成等于R2和R3的并聯阻值。

然而，應該注意的是，該電阻器R1總會在電路中引入一些噪聲，因此要在電路輸入阻抗、輸入耦合電容器的尺寸和電阻器引起的Johnson噪聲之間進行折衷。典型的電阻器阻值一般在100，000Ω ~1 MΩ之間。

類似的問題也會出現在儀表放大器電路中。圖3示出了使用兩只電容器進行AC耦合的儀表放大器電路，沒有提供輸入偏置電流的返回路徑。這個問題在使用雙電源(圖3a)和單電源(圖3b)供電的儀表放大器電路中很常見。

這類問題也會出現在變壓器耦合放大器電路中，如圖4所示，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。

圖5和圖6示出了這些電路的簡單解決方案。這里，在每一個輸入端和地之間都接一個高阻值的電阻器(RA，RB)。這是一種適合雙電源儀表放大器電路的簡單而實用的解決方案。

a. 雙電源， b. 單電源

這兩只電阻器為輸入偏置電流提供了一個放電回路。在圖5所示的雙電源例子中，兩個輸入端的參考端都接地。在圖5b所示的單電源例子中，兩個輸入端的參考端或者接地(VCM接地)或者接一個偏置電壓，通常為最大輸入電壓的一半。

同樣的原則也可以應用到變壓器耦合輸入電路(見圖6)，除非變壓器的次級有中間抽頭，它可以接地或接VCM。

在該電路中，由于兩只輸入電阻器之間的失配和(或)兩端輸入偏置電流的失配會產生一個小的失調電壓誤差。為了使失調誤差最小，在儀表放大器的兩個輸入端之間可以再接一只電阻器(即橋接在兩只電阻器之間)，其阻值大約為前兩只電阻器的1/10th(但與差分源阻抗相比仍然很大)。

為儀表放大器、運算放大器和ADC提供參考電壓

圖7示出一個儀表放大器驅動一個單端輸入的模數轉換器(ADC)的單電源電路。該放大器的參考電壓提供一個對應零差分輸入時的偏置電壓，而ADC的參考電壓則提供比例因子。在儀表放大器的輸出端和ADC的輸入端之間通常接一個簡單的RC低通抗混疊濾波器以減少帶外噪聲。設計工程師通?？傁氩捎煤唵蔚姆椒?，例如電阻分壓器，為儀表放大器和ADC提供參考電壓。因此在使用某些儀表放大器時，會產生誤差。

更多資訊請關注：21ic模擬頻道