與分立器件相比，現代集成運算放大器（op amp）和儀表放大器（in-amp）為設計工程師帶來了許多好處。雖然提供了許多巧妙、有用并且吸引人的電路。往往都是這樣，由于倉促地組裝電路而會忽視了一些非常基本的問題，從而導致電路不能實現預期功能，或者可能根本不工作。

本文將討論一些最常見的應用問題，并給出實用的解決方案。

AC耦合時缺少DC偏置電流回路

 

圖1. 錯誤的運算放大器AC耦合輸入

這個過程可能會需要很長時間。例如，一只場效應管（FET）輸入放大器，當1 pA的偏置電流與一個0.1 µF電容器耦合時，其充電速率I/C為10-12/10-7=10 µV/s，或每分鐘600 µV。如果增益為100，那么輸出漂移 為每分鐘0.06 V。因此，一般實驗室測試（使用AC耦合示波器）無法檢測到這個問題，而電路在數小時之后才會出現問題。顯然，完全避免這個問題非常重要。

 

圖2示出了對這常見問題的一種簡單的解決方案。這里，在運算放大器輸入端和地之間接一只電阻器，為輸入偏置電流提供一個對地回路。為了使輸入偏置電流造成的失調電壓最小，當使用雙極性運算放大器時，應該使其兩個輸入端的偏置電流相等，所以通常應將R1的電阻值設置成等于R2和R3的并聯阻值。

然而，應該注意的是，該電阻器R1總會在電路中引入一些噪聲，因此要在電路輸入阻抗、輸入耦合電容器的尺寸和電阻器引起的Johnson噪聲之間進行折衷。典型的電阻器阻值一般在100,000Ω~1 MΩ之間。

 

這類問題也會出現在變壓器耦合放大器電路中，如圖4所示，如果變壓器次級電路中沒有提供DC對地回路，該問題就會出現。

 

圖4. 不工作的變壓器耦合儀表放大器電路

 

這兩只電阻器為輸入偏置電流提供了一個放電回路。在圖5所示的雙電源例子中，兩個輸入端的參考端都接地。在圖5b所示的單電源例子中，兩個輸入端的參考端或者接地（VCM接地）或者接一個偏置電壓，通常為最大輸入電壓的一半。

同樣的原則也可以應用到變壓器耦合輸入電路（見圖6），除非變壓器的次級有中間抽頭，它可以接地或接VCM。

 

為儀表放大器、運算放大器和ADC提供參考電壓

 

正確地提供儀表放大器的參考電壓

一般假設儀表放大器的參考輸入端為高阻抗，因為它是一個輸入端。所以使設計工程師一般總想在儀表放大器的參考端引腳接入一個高阻抗源，例如一只電阻分壓器。這在某些類型儀表放大器的使用中會產生嚴重誤差（見圖8）。

 

例如，流行的儀表放大器設計配置使用上圖所示的三運放結構。其信號總增益為

如果儀表放大器采用封閉的單封裝形式（一個IC），則不能使用這種方法。此外，還要考慮分壓電阻器的溫度系數應該與R4和減法器中的電阻器保持一致。最終，參考電壓將不可調。另一方面，如果嘗試減小分壓電阻器的阻值使增加的電阻大小可忽略，這樣會增大電源電流的消耗和電路的功耗。在任何情況下，這種笨拙的方法都不是好的設計方案。

 

當從電源電壓利用分壓器為放大器提供參考電壓時應保證PSR性能

當設計帶有儀表放大器和運算放大器的電路時，這方面的考慮很重要。電源電壓抑制技術用來隔離放大器免受其電源電壓中的交流聲、噪聲和任何瞬態電壓變化的影響。這是非常重要的，因為許多實際電路都包含、連接著或存在于只能提供非理想的電源電壓的環境之中。另外電力線中的交流信號會反饋到電路中被放大，而且在適當的條件下會引起寄生振蕩。

此外，當設計工程師采用簡單的電源電壓電阻分壓器并且用一只運算放大器緩沖器為儀表放大器提供參考電壓時，電源電壓中的任何變化都會通過該電路不經衰減直接進入儀表放大器的輸出級。因此，除非提供低通濾波器，否則IC通常優良的PSR性能會丟失。

 

上面示出的CF試用值能夠提供大約0.03 Hz的-3 dB極點頻率。接在R3兩端的小電容器（0.01 µF）可使電阻器噪聲最小。

圖11中的電路做了進一步改進。這里，運算放大器緩沖器起到一個有源濾波器的作用，它允許使用電容值小很多的電容器對同樣大的電源退耦。此外，有源濾波器可以用來提高Q值從而加快導通時間。

 

測試結果：利用上圖所示的元件值，施加12 V電源電壓，對儀表放大器的6 V參考電壓提供濾波。將儀表放大器的增益設置為1，采用頻率變化的1 VP-P正弦信號調制12 V電源。在這樣的條件下，隨著頻率的減小，一直減到大約8 Hz時，我們在示波器上看不到AC信號。當對儀表放大器施加低幅度輸入信號時，該電路的測試電源電壓范圍是4 V到25 V以上。電路的導通時間大約為2 s。

最后，單電源運算放大器電路需要偏置共模輸入電壓幅度以控制AC信號的正向擺幅和負向擺幅。當從電源電壓利用分壓器提供偏置電壓時，為了保證PSR的性能就需要合適的退耦。

圖12（反相輸入）和圖13（同相輸入）示出了達到最佳退耦結果的VS/2偏置電路。在兩種情況中，偏置電壓加在同相輸入端，反饋到反向輸入端以保證相同的偏置電壓，并且單位DC增益也要偏置相同的輸出電壓。耦合電容器C1使低頻增益從BW3降到單位增益。

 

如上圖所示，當采用100 kΩ/100 kΩ電阻分壓器時一個好的經驗是，為獲得0.3 Hz的- 3 dB截止頻率，應當選用的C2最小為10 µF。而100 µF（0.03 Hz）實際上對所有電路都足夠了。