放大器偏置電流Ib需要完整的直流回路

多數(shù)工程師對(duì)于放大器偏置電流參數(shù)并不陌生，它是導(dǎo)致放大器電路產(chǎn)生直流噪聲的又一重要影響因素。因?yàn)槠秒娏鹘?jīng)過輸入端電阻網(wǎng)絡(luò)會(huì)形成一個(gè)失調(diào)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(huì)注重電阻網(wǎng)絡(luò)的匹配，降低偏置電流對(duì)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(gè)案例提醒工程師在放大器電路設(shè)計(jì)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(shí)際放大器的兩個(gè)輸入端會(huì)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(gè)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(diào)電流（Input Offset Current，Ios），如式2-12。

由失調(diào)電流Ios，偏置電流Ib關(guān)系式，可推倒其中,Ib+、Ib-分別為式2-13、2-14。

與失調(diào)電壓參數(shù)不同，偏置電流參數(shù)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(shí)，回路中才能形成直流電流。如果不注重這一點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的放大器電路將會(huì)發(fā)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(shè)計(jì)的250KHz 信號(hào)處理電路出現(xiàn)異常，電路第一級(jí)放大器輸出信號(hào)是峰峰值為0.2V，頻率為250KHz 的正弦信號(hào)。第二級(jí)電路如圖2.28，使用AD8066設(shè)計(jì)為增益電路，發(fā)現(xiàn)在輸出端存在嚴(yán)重的失調(diào)電壓。工程師認(rèn)為電路使用交流耦合方式，應(yīng)該避免了第一級(jí)放大器直流噪聲的影響。

圖2.28 AD8066設(shè)計(jì)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(fù)現(xiàn)的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)工程師所使用的AD8066測(cè)試電路如圖2.29。即圖2.28電路中AD8066同相輸入端IN網(wǎng)絡(luò)里的電阻R4沒有焊接。在交流耦合電路中，將導(dǎo)致AD8066偏置電流沒有完整的直流回路，放大器內(nèi)部晶體管缺少正確靜態(tài)工作點(diǎn)。說明問題原因，工程師恢復(fù)焊接電阻R4，電路運(yùn)行正常。

圖 2.29 AD8066測(cè)試電路圖

使用LTspice仿真圖2.29的AD8066測(cè)試電路。瞬態(tài)分析結(jié)果如圖2.30，在缺少R4的電路，AD8066輸出信號(hào)存在200mV的失調(diào)電壓。

圖 2.30 AD8066測(cè)試電路仿真結(jié)果

針對(duì)圖2.28的AD8066設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，瞬態(tài)分析結(jié)果如圖2.31。AD8066的輸出不再復(fù)現(xiàn)失調(diào)電壓。

圖2.31 AD8066設(shè)計(jì)電路仿真結(jié)果

所以在放大器的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)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。