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鄭薈民
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放大器偏置電流Ib需要完整的直流回路

多數工程師對于放大器偏置電流參數并不陌生,它是導致放大器電路產生直流噪聲的又一重要影響因素。因為偏置電流經過輸入端電阻網絡會形成一個失調電壓源,再通過電路的噪聲增益影響輸出直流噪聲。所以工程師會注重電阻網絡的匹配,降低偏置電流對電路的影響。而本篇從偏置電流存在方式影響放大器正常工作的角度,通過一個案例提醒工程師在放大器電路設計中,需要確保偏置電流具有完整的直流回路。

    1.偏置電流定義

    實際放大器的兩個輸入端會流入少量電流,如圖2.25。放大器的同相輸入端流過電流為Ib+,反相輸入端流過電流為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)定義為流過兩個輸入端電流的均值,如式2-11。

    流過兩輸入端電流之差定義為放大器的輸入失調電流(Input Offset Current,Ios),如式2-12。

    由失調電流Ios,偏置電流Ib關系式,可推倒其中,Ib+、Ib-分別為式2-13、2-14。

    與失調電壓參數不同,偏置電流參數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,回路中才能形成直流電流。如果不注重這一點,所設計的放大器電路將會發生異常情況。

    2.偏置電流案例分析

    2018年8月中旬,一位工程師反饋所設計的250KHz 信號處理電路出現異常,電路第一級放大器輸出信號是峰峰值為0.2V,頻率為250KHz 的正弦信號。第二級電路如圖2.28,使用AD8066設計為增益電路,發現在輸出端存在嚴重的失調電壓。工程師認為電路使用交流耦合方式,應該避免了第一級放大器直流噪聲的影響。

圖2.28 AD8066設計電路圖

    筆者在與工程師檢視AD8066電路未察覺異常情況,在故障復現的測試中,發現工程師所使用的AD8066測試電路如圖2.29。即圖2.28電路中AD8066同相輸入端IN網絡里的電阻R4沒有焊接。在交流耦合電路中,將導致AD8066偏置電流沒有完整的直流回路,放大器內部晶體管缺少正確靜態工作點。說明問題原因,工程師恢復焊接電阻R4,電路運行正常。

圖 2.29 AD8066測試電路圖

    使用LTspice仿真圖2.29的AD8066測試電路。瞬態分析結果如圖2.30,在缺少R4的電路,AD8066輸出信號存在200mV的失調電壓。

圖 2.30 AD8066測試電路仿真結果

    針對圖2.28的AD8066設計電路進行仿真,瞬態分析結果如圖2.31。AD8066的輸出不再復現失調電壓。

圖2.31 AD8066設計電路仿真結果

    所以在放大器的設計中,首先應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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