多数工程师对于放大器偏置电流参数并不陌生,它是导致放大器电路产生直流噪声的又一重要影响因素。因为偏置电流经过输入端电阻网络会形成一个失调电压源,再通过电路的噪声增益影响输出直流噪声。所以工程师会注重电阻网络的匹配,降低偏置电流对电路的影响。而本篇从偏置电流存在方式影响放大器正常工作的角度,通过一个案例提醒工程师在放大器电路设计中,需要确保偏置电流具有完整的直流回路。
1.偏置电流定义
实际放大器的两个输入端会流入少量电流,如图2.25。放大器的同相输入端流过电流为Ib+,反相输入端流过电流为Ib–。
图2.25放大器输入偏置电流模型图
放大器的输入偏置电流(Input Bias Current,Ib)定义为流过两个输入端电流的均值,如式2-11。
流过两输入端电流之差定义为放大器的输入失调电流(Input Offset Current,Ios),如式2-12。
由失调电流Ios,偏置电流Ib关系式,可推倒其中,Ib+、Ib-分别为式2-13、2-14。
与失调电压参数不同, **偏置电流参数是以直流电流的形式存在。而只有在电路的直流回路完整时,回路中才能形成直流电流** 。如果不注重这一点,所设计的放大器电路将会发生异常情况。
2.偏置电流案例分析
2018年8月中旬,一位工程师反馈所设计的250KHz 信号处理电路出现异常,电路第一级放大器输出信号是峰峰值为0.2V,频率为250KHz 的正弦信号。第二级电路如图2.28,使用AD8066设计为增益电路,发现在输出端存在严重的失调电压。工程师认为电路使用交流耦合方式,应该避免了第一级放大器直流噪声的影响。
图2.28 AD8066设计电路图
笔者在与工程师检视AD8066电路未察觉异常情况,在故障复现的测试中,发现工程师所使用的AD8066测试电路如图2.29。即图2.28电路中AD8066同相输入端IN网络里的电阻R4没有焊接。在交流耦合电路中,将导致AD8066偏置电流没有完整的直流回路,放大器内部晶体管缺少正确静态工作点。说明问题原因,工程师恢复焊接电阻R4,电路运行正常。
图 2.29 AD8066测试电路图
使用LTspice仿真图2.29的AD8066测试电路。瞬态分析结果如图2.30,在缺少R4的电路,AD8066输出信号存在200mV的失调电压。
图 2.30 AD8066测试电路仿真结果
针对图2.28的AD8066设计电路进行仿真,瞬态分析结果如图2.31。AD8066的输出不再复现失调电压。
图2.31 AD8066设计电路仿真结果
所以 **在放大器的设计中,首先应该确保偏置电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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如何为偏置电流提供直流回路?正确示范在这里~
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