Part 01
前言
那么问题来了,为什么需要为运放设置直流工作点呢?看下图黄色区域,有些人一看到运放内部拓扑电路就头大,这么一大堆三极管,看不懂怎么办呢?不管多复杂,记住运放就三大块:输入级,中间级,输出级。
黄色区域是运放的输入级,输入级就是一个差分放大电路,比如下图的Q1,Q2就是差分输入对管,这是两个PNP三极管,看到三极管,看到放大,你就想想三极管要想工作在放大区,就得为三极管设置直流工作点,避免三极管饱和或者截止了。除了三极管,我们也能用MOS管搭建输入级的差分放大电路,各有优势,如果用MOSFET,MOSFET属于电压控制器件,MOSFET工作时需要的直流栅极电流非常小,此时输入偏置电流主要由来自输入端口的ESD保护器件和连接到输入的其他次级电路的漏电决定,漏电流的大小很小,一般是皮安级别的。所以双极结型晶体管 (三极管) 放大器的输入需要基极电流来实现适当的偏置,因此输入偏置电流要大得多,是微安级别的。因此,输入偏置电流对于BJT放大器来说是一个重要问题。
既然BJT输入放大器的输入偏置电流大, CMOS放大器的输入偏置电流小,那BJT输入放大器是不是要淘汰了?当然不会,在相同的静态电流下,BJT与CMOS晶体管相比具有更大的跨导。BJT之间的匹配也更好(匹配不好,就会导致输入失调电流较大),BJT噪声性能也更好。放大能力指标跨导,BJT之间的匹配性,噪声能力,这三个因素都是影响运放性能的关键因素,所以BJT输入放大器虽然输入偏置电流大,但是优势也不小。
Part 02
案例分析
上面我们着重介绍了运放需要偏置电流才能正常工作,那么如何为运放设置偏置电流?如何一眼看出运放的偏置电流设置的有没有问题呢?接下来我们就看一个案例。我们以同相放大电路为例。下面是仿真电路图:
接下来是仿真波形:绿色线是放大后的输出波形,蓝色线是输入波形
乍一看这仿真波形挺正常,接下来我们放大看一看,输入电压为0V,输出电压也应该是0V,但是实际仿真会发现输出存在-100mV的输出失调电压,那这个-100mV的输出失调电压是哪里来的呢?明明输入都放了电容,即便输入直流信号自己有偏置也肯定不会导致输出存在失调电压啊,难道是运放自己不太行?
直接说答案吧,其实就是运放是偏置电流设置不正确导致的。
再看看原理图,前面我们说了运放需要配置正确的直流偏置点才能正常工作,电容C1在进行直流分析时,其阻抗相当于无穷大,这导致运放+输入引脚的电流非常小,从而无法为运放提供正确的直流偏置点,导致输出存在-100mV的输出失调电压。
如何解决呢?很简单,既然电路的偏置不正确,那我们就加个正确的偏置,也就是下面的电阻R4,所以如果在电路图里看到运放输入接了各对地的电阻,你可别感觉没用就直接去掉,一定要搞清楚了。
增加电阻R4后我们重新仿真,得到下面的仿真波形,这下输入电压为0V,输出电压也是0V了,这样就对了。
Part 03
如何快速判断偏置电流有没有问题呢?
如果你的运放电路里有加电容或者变压器隔离,那么你就看看运放的输入+和-有没有和电源或地通过电阻相连,比如下面这俩电路一看就有问题,
解决的方案就是下面直接电阻搞起就行了。
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