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(wèn)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(guò)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(méi)有,電源電壓的任何變化都將直接通過(guò)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(guò)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(wèn)題
解答這個(gè)問(wèn)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(lái)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(lái)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(guò)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(méi)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(wèn)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(jiàn)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(jiàn)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(lái)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(lái)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(guò)查表來(lái)獲得,見(jiàn)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。
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