单电源运算放大器的偏置与去耦电路设计-硬件和射频工程师.PDF

单电源运算放大器的偏置与去耦电路设计 目前在许多手持设备、汽车以及计算机等设备只用单电源供电，但是单电源容易出现不稳定问题，因此需要在电路 外围增加辅助器件以提高稳定性。在电路图1 中展示了单电源供电运算放大器的偏置方法，用电阻RA 与电阻RB 构成分压电路，并把正输入端的电压设置为Vs/2 。输入信号VIN 是通过电容耦合到正输入端。在该电路中有一些严 重的局限性。 首先，电路的电源抑制几乎没有，电源电压的任何变化都将直接通过两个分压电阻改变偏置电压Vs/2 ，但电源抑制 的能力是电路非常重要的特性。例如此电路的电源电压1 伏的变化，能引起偏置电路电压的输出Vs/2 变化0.5 伏。 该电路的电源抑制仅仅只有6dB，通过选用SGM8541 运算放大器可以增强电源抑制能力。 电源供电运算放大器的偏置方法。 其次，运算放大器驱动大电流负载时电源经常不稳定，除非电源有很好的调节能力，或有很好的旁路，否则大的电 压波动将回馈到电源线路上。运算放大器的正输入端的参考点将直接偏离Vs/2 ，这些信号将直接流入放大器的正输 入端。 用于图2 的典型器件值。 在应用中要特别注意布局，多个电源旁路电容、星形接地、单独的印制电源层可以提供比较稳定的电路。 偏置电路的去耦问题 解答这个问题需要改变一下电路。图2 从偏置电路的中间节点接电容C2，用来旁路AC 信号，这样可以提高AC 的电源抑制，电阻RIN 为Vs/2 的基准电压提供DC 的返回通路，并且为AC 输入提供了交流输入阻抗。 电容C2 来旁路AC 信号，提高AC 的电源抑制。 这个偏置电路的-3dB 带宽是通过电阻RA 、RB 与电容C2 构成的并且等于 此偏置电路当频率在30Hz 以内时，没有电源抑制的能力，因此任何在电源线上低于30Hz 的信号，能够轻易地加 到放大器的输入端。一个通常解决这个问题的方法是增加电容值C2，它的值需要足够的大，以便能有效地旁路掉 偏置电路通频带以内的全部噪声。然而在这里比较合理的方法是，设置C2 与偏置电路连接点的带宽是十分之一的 信号输入带宽，参见图2 。 路图3 和4 的一些齐纳二极管与Rz 电阻值的关系 在有些运算放大器中输入偏置电流比较大是需要考虑的，由于放大器偏置电流的影响，偏置分压电路的分压点将偏 离Vs/2 ，影响了放大器的静态工作点。为了使放大器的静态工作点尽量靠近Vs/2 ，需要增加平衡电阻，见电路图2 。 在这个电路中运算放大器选用的是SGM8541，该放大器的输入偏置电流在常温下只有1-2 个皮安，几乎为零，因 此可以不考虑输入偏置电流带来的误差。但如果工作在非常宽的温度范围(-20℃-80℃) ，在放大器的正负输入端加 平衡电阻能很好地阻止输入带来的误差。 纳二级管偏置电路。 设计单电源运算放大器电路，需要考虑输入偏置电流误差、电源抑制、增益、以及输入与输出线路带宽等等。然而 普通的应用设计是可以通过查表来获得，见表 1。在单电源电压为15V 或12V 时偏置分压的两个电阻通常选用 100kΩ，这样可以在电源消耗与输入偏置电流误差之间合理的折中。5V 单电源偏置分压电阻减小到一个比较低的 值，例如42kΩ。还有些在3.3V 应用中偏置分压电阻选在27kΩ左右。 齐纳二级管偏置电路 路参数及期间参数选择。 虽然电阻偏置电路技术成本很低，并且始终能保持运放输出控制在V ，但运放的共模抑制能力完全依靠R /R 与 s/2 A B C2 构成的RC 时间常数。通过使用C2 可以提高至少10 倍的RC(RC 通过R1/C1 与RIN/CIN 的网路构成)时间常数， 这将有助于提高共模抑制比。RA 与RB 在使用100kΩ，并且电路带宽没有降低的时候，C2 可以保持相当小的容量。 也可以采用其它的方法在单电源中提供偏置电压，并且有很好的电源抑制与共模抑制。比如在偏置电路中可以使用 一个齐纳二极管调整偏置电压，提供静态工作点。 用相同的齐纳二极管的反相放大器电路的偏置方法。 在图3 中，电流通过电阻RZ 流到齐纳二极管，形成偏置工作点。电容CN 可以阻止齐纳二极管产生的噪声通过反馈 进入运放。要想实现低噪声电路需要使用一个比 10uF 还大的CN ，并且齐纳二极管应该选择一个工作电压在Vs/2 。 电阻RZ