輸入偏置電流返回路徑在儀表放大器應(yīng)用中的重要性-TI 應(yīng)用報告 ZHCAB97

授權(quán)自：云深之無跡

這個應(yīng)用手冊在50多個儀表放大器的文檔中都有，說明是一個共性的問題，其次我也在做東西的過程中體會到了這一點，以及幾年前做東西失敗的原因。

這里展示了是典型的3運放IA，前面綠色的地方就是共模電壓彌撒的地方，也就是說共模干擾是以這樣的方式進(jìn)到IA里面的，只是后面的減法器才把共模干擾抑制。

是吧？一模一樣

第一級構(gòu)成一個可放大差分信號的高輸入阻抗電路，但會通過共模信號而不進(jìn)行放大。

（詳細(xì)原理請看《運放秘籍》視頻教程第二部：儀表放大器專項）

該設(shè)計的第二級通常是一個差分放大器，在很大程度上去除共模信號，同時使輸出參考特定的基準(zhǔn)電壓。

總結(jié)一下：

三運放結(jié)：高輸入阻抗 + 差分放大

可精確放大差分信號并抑制共模信號

需設(shè)置參考電壓（Ref）決定輸出電平的參考點

這篇文章說的是應(yīng)用過程中：當(dāng)輸入端存在高直流電壓（如 3V）時，即使你只是想放大 100 mV 的交流信號，IA 仍會把 3V × 增益 放大，導(dǎo)致輸出飽和。

假設(shè) IA 具有 100 Hz 正弦波，在存在 5V 共模電壓和 3V 直流電壓的情況下，波幅為 100 mV。

所需輸出為±1V 信號。在這些工作狀態(tài)下時，儀表放大器必須配置 10V/V 的增益。

看到綠色的部分都滿了

雖然 IA 會抑制 5V 共模電壓，但 3V 直流電壓會與 VDiff 曲線所示的輸入差分電壓求和。增益為 10V/V 時，輸出信號對正電源軌飽和。盡管要放大的所需信號是 100 mV/100 Hz 正弦波，但 3V 直流電壓阻止儀表放大器輸出僅表示放大的交流信號。

大家會下意識的接個電容做耦合但是沒有為偏置電流提供返回路徑，結(jié)果是電容不斷被充電，最終導(dǎo)致輸出飽和，IA 工作異常。

讓我來分開說說：

很多實際信號是微弱的交流信號（如：EEG、ECG、生物傳感、加速度、聲音等），但是信號上可能會疊加一個比較大的直流分量（比如傳感器電源引入的偏置電壓）。

輸入信號 = 直流偏置 + 微弱交流信號

如果這個直流成分太大，儀表放大器在乘以增益后，很容易輸出電壓飽和（即輸出夾在電源軌附近），這會導(dǎo)致交流信號無法正確放大、甚至完全丟失。

在 IA 輸入端串聯(lián)電容器（見圖），形成一個高通濾波器，只允許交流成分通過，濾掉直流偏置。

這個高通濾波器由：

輸入串聯(lián)電容 C

以及后接對地電阻 R（提供偏置電流路徑） 共同構(gòu)成，其截止頻率為：

這個截止頻率需選得足夠低，以保留你感興趣的信號頻率。

去掉討厭的DC電壓以后會更加的性能好。

但是問題就出在這里：如果只加電容，而沒有提供輸入偏置電流的返回路徑（電阻），儀表放大器會工作異常，輸出飽和（電容被輸入偏置電流充電）。

很多人認(rèn)為“加上電容就能隔離直流”，確實沒錯，但問題是——儀表放大器的輸入級運放需要一個小的偏置電流（Ib）才能正常工作。

如果你在輸入端只加了一個電容，而電容另一端又懸空或沒有到地的直流路徑，電流無法流動！

電容會被充電：

輸入Ib沒有地方去，只能“被迫”充入串聯(lián)的電容中；

隨著時間推移，電容電壓不斷升高；

最終，輸入端的電平變得非常高或非常低；

IA輸出電壓被“推”到電源軌，造成輸出飽和或漂移，甚至失效。

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IN+ 電平會慢慢上升或下降；輸出 Vout 也隨之漂移，最終飽和。

可以把這個電容理解成一個“桶”，而輸入偏置電流是“水龍頭”在滴水。如果桶底沒有洞（即沒有到地的通路），那水遲早會把桶灌滿——這時就“溢出”了，對應(yīng)于電路中：輸出電壓被推向飽和。

為每個輸入加一個“泄水口” —— 一個偏置電阻，通常接地或者接偏置電壓（如 1/2 Vcc）。

我們可以簡單的給出一些計算公式

一般根據(jù)電源軌的不同，給出兩個解法

單電源 +15V，輸入偏置電阻接 Vbias = 7.5V，Vref 也接 7.5V

模擬“中點”，讓IA能有對稱的動態(tài)范圍。

Vbias 是輸入信號路徑的直流偏置電壓，提供一個參考電平，使得 AC 耦合后的信號可以“懸浮”在一個中間電位而不是接地。

把交流信號比作一艘浮在水上的船。

如果沒有水（即偏置），船（信號）就“擱淺”了。

Vbias 就是那片“水”，讓船可以自由地浮動并波動。

和Vref的作用是不一樣的

Vbias 必須能灌/拉電流，因此不能用普通的 LDO 穩(wěn)壓器（只能輸出電流）

LDO（線性穩(wěn)壓器）只能“拉電流”（只能提供電流給負(fù)載，不能吸收）。

電阻的典型范圍：100 kΩ ～ 1 MΩ

電阻太小會拉低輸入阻抗；會給信號源造成負(fù)載效應(yīng)（降低測量精度）；與前級信號源阻抗形成分壓效應(yīng)。

偏置電流

誤差項，里面的子項都會影響結(jié)果

太難了

這也就是為什么老看見1M電阻的原因

若對失調(diào)誤差極度敏感，可考慮加第三個電阻并通過誤差對消降低誤差。

授權(quán)自：云深之無跡

最后在總結(jié)一下

TI的儀表放大器的型號很多，其實是不好選擇的

如果你看不懂這篇文章，證明你的基礎(chǔ)不勞。

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審核編輯 黃宇