输入偏置电流返回路径在仪表放大器应用中的重要性-TI 应用报告 ZHCAB97

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这个应用手册在50多个仪表放大器的文档中都有，说明是一个共性的问题，其次我也在做东西的过程中体会到了这一点，以及几年前做东西失败的原因。

这里展示了是典型的3运放IA，前面绿色的地方就是共模电压弥撒的地方，也就是说共模干扰是以这样的方式进到IA里面的，只是后面的减法器才把共模干扰抑制。

是吧？一模一样

第一级构成一个可放大差分信号的高输入阻抗电路，但会通过共模信号而不进行放大。

（详细原理请看《运放秘籍》视频教程第二部：仪表放大器专项）

该设计的第二级通常是一个差分放大器，在很大程度上去除共模信号，同时使输出参考特定的基准电压。

总结一下：

三运放结：高输入阻抗 + 差分放大

可精确放大差分信号并抑制共模信号

需设置参考电压（Ref）决定输出电平的参考点

这篇文章说的是应用过程中：当输入端存在高直流电压（如 3V）时，即使你只是想放大 100 mV 的交流信号，IA 仍会把 3V × 增益 放大，导致输出饱和。

假设 IA 具有 100 Hz 正弦波，在存在 5V 共模电压和 3V 直流电压的情况下，波幅为 100 mV。

所需输出为±1V 信号。在这些工作状态下时，仪表放大器必须配置 10V/V 的增益。

看到绿色的部分都满了

虽然 IA 会抑制 5V 共模电压，但 3V 直流电压会与 VDiff 曲线所示的输入差分电压求和。增益为 10V/V 时，输出信号对正电源轨饱和。尽管要放大的所需信号是 100 mV/100 Hz 正弦波，但 3V 直流电压阻止仪表放大器输出仅表示放大的交流信号。

大家会下意识的接个电容做耦合但是没有为偏置电流提供返回路径，结果是电容不断被充电，最终导致输出饱和，IA 工作异常。

让我来分开说说：

很多实际信号是微弱的交流信号（如：EEG、ECG、生物传感、加速度、声音等），但是信号上可能会叠加一个比较大的直流分量（比如传感器电源引入的偏置电压）。

输入信号 = 直流偏置 + 微弱交流信号

如果这个直流成分太大，仪表放大器在乘以增益后，很容易输出电压饱和（即输出夹在电源轨附近），这会导致交流信号无法正确放大、甚至完全丢失。

在 IA 输入端串联电容器（见图），形成一个高通滤波器，只允许交流成分通过，滤掉直流偏置。

这个高通滤波器由：

输入串联电容 C

以及后接对地电阻 R（提供偏置电流路径） 共同构成，其截止频率为：

这个截止频率需选得足够低，以保留你感兴趣的信号频率。

去掉讨厌的DC电压以后会更加的性能好。

但是问题就出在这里：如果只加电容，而没有提供输入偏置电流的返回路径（电阻），仪表放大器会工作异常，输出饱和（电容被输入偏置电流充电）。

很多人认为“加上电容就能隔离直流”，确实没错，但问题是——仪表放大器的输入级运放需要一个小的偏置电流（Ib）才能正常工作。

如果你在输入端只加了一个电容，而电容另一端又悬空或没有到地的直流路径，电流无法流动！

电容会被充电：

输入Ib没有地方去，只能“被迫”充入串联的电容中；

随着时间推移，电容电压不断升高；

最终，输入端的电平变得非常高或非常低；

IA输出电压被“推”到电源轨，造成输出饱和或漂移，甚至失效。

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IN+ 电平会慢慢上升或下降；输出 Vout 也随之漂移，最终饱和。

可以把这个电容理解成一个“桶”，而输入偏置电流是“水龙头”在滴水。如果桶底没有洞（即没有到地的通路），那水迟早会把桶灌满——这时就“溢出”了，对应于电路中：输出电压被推向饱和。

为每个输入加一个“泄水口” —— 一个偏置电阻，通常接地或者接偏置电压（如 1/2 Vcc）。

我们可以简单的给出一些计算公式

一般根据电源轨的不同，给出两个解法

单电源 +15V，输入偏置电阻接 Vbias = 7.5V，Vref 也接 7.5V

模拟“中点”，让IA能有对称的动态范围。

Vbias 是输入信号路径的直流偏置电压，提供一个参考电平，使得 AC 耦合后的信号可以“悬浮”在一个中间电位而不是接地。

把交流信号比作一艘浮在水上的船。

如果没有水（即偏置），船（信号）就“搁浅”了。

Vbias 就是那片“水”，让船可以自由地浮动并波动。

和Vref的作用是不一样的

Vbias 必须能灌/拉电流，因此不能用普通的 LDO 稳压器（只能输出电流）

LDO（线性稳压器）只能“拉电流”（只能提供电流给负载，不能吸收）。

电阻的典型范围：100 kΩ ～ 1 MΩ

电阻太小会拉低输入阻抗；会给信号源造成负载效应（降低测量精度）；与前级信号源阻抗形成分压效应。

偏置电流

误差项，里面的子项都会影响结果

太难了

这也就是为什么老看见1M电阻的原因

若对失调误差极度敏感，可考虑加第三个电阻并通过误差对消降低误差。

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最后在总结一下

TI的仪表放大器的型号很多，其实是不好选择的

如果你看不懂这篇文章，证明你的基础不劳。

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审核编辑 黄宇