多數(shù)工程師對(duì)于放大器偏置電流參數(shù)并不陌生,它是導(dǎo)致放大器電路產(chǎn)生直流噪聲的又一重要影響因素。因?yàn)槠秒娏鹘?jīng)過(guò)輸入端電阻網(wǎng)絡(luò)會(huì)形成一個(gè)失調(diào)電壓源,再通過(guò)電路的噪聲增益影響輸出直流噪聲。所以工程師會(huì)注重電阻網(wǎng)絡(luò)的匹配,降低偏置電流對(duì)電路的影響。而本篇從偏置電流存在方式影響放大器正常工作的角度,通過(guò)一個(gè)案例提醒工程師在放大器電路設(shè)計(jì)中,需要確保偏置電流具有完整的直流回路。
1.偏置電流定義
實(shí)際放大器的兩個(gè)輸入端會(huì)流入少量電流,如圖2.25。放大器的同相輸入端流過(guò)電流為Ib+,反相輸入端流過(guò)電流為Ib–。
圖2.25放大器輸入偏置電流模型圖
放大器的輸入偏置電流(Input Bias Current,Ib)定義為流過(guò)兩個(gè)輸入端電流的均值,如式2-11。
流過(guò)兩輸入端電流之差定義為放大器的輸入失調(diào)電流(Input Offset Current,Ios),如式2-12。
由失調(diào)電流Ios,偏置電流Ib關(guān)系式,可推倒其中,Ib+、Ib-分別為式2-13、2-14。
與失調(diào)電壓參數(shù)不同,偏置電流參數(shù)是以直流電流的形式存在。而只有在電路的直流回路完整時(shí),回路中才能形成直流電流。如果不注重這一點(diǎn),所設(shè)計(jì)的放大器電路將會(huì)發(fā)生異常情況。
2.偏置電流案例分析
2018年8月中旬,一位工程師反饋所設(shè)計(jì)的250KHz 信號(hào)處理電路出現(xiàn)異常,電路第一級(jí)放大器輸出信號(hào)是峰峰值為0.2V,頻率為250KHz 的正弦信號(hào)。第二級(jí)電路如圖2.28,使用AD8066設(shè)計(jì)為增益電路,發(fā)現(xiàn)在輸出端存在嚴(yán)重的失調(diào)電壓。工程師認(rèn)為電路使用交流耦合方式,應(yīng)該避免了第一級(jí)放大器直流噪聲的影響。
圖2.28 AD8066設(shè)計(jì)電路圖
筆者在與工程師檢視AD8066電路未察覺(jué)異常情況,在故障復(fù)現(xiàn)的測(cè)試中,發(fā)現(xiàn)工程師所使用的AD8066測(cè)試電路如圖2.29。即圖2.28電路中AD8066同相輸入端IN網(wǎng)絡(luò)里的電阻R4沒(méi)有焊接。在交流耦合電路中,將導(dǎo)致AD8066偏置電流沒(méi)有完整的直流回路,放大器內(nèi)部晶體管缺少正確靜態(tài)工作點(diǎn)。說(shuō)明問(wèn)題原因,工程師恢復(fù)焊接電阻R4,電路運(yùn)行正常。
圖 2.29 AD8066測(cè)試電路圖
使用LTspice仿真圖2.29的AD8066測(cè)試電路。瞬態(tài)分析結(jié)果如圖2.30,在缺少R4的電路,AD8066輸出信號(hào)存在200mV的失調(diào)電壓。
圖 2.30 AD8066測(cè)試電路仿真結(jié)果
針對(duì)圖2.28的AD8066設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真,瞬態(tài)分析結(jié)果如圖2.31。AD8066的輸出不再?gòu)?fù)現(xiàn)失調(diào)電壓。
圖2.31 AD8066設(shè)計(jì)電路仿真結(jié)果
所以在放大器的設(shè)計(jì)中,首先應(yīng)該確保偏置電流具有完整的直流回路,才能使得放大器正常工作。
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