現(xiàn)代的運算放大器和儀表放大器都提供頻率相當?shù)偷碾娫措妷阂种?PSR)能力作為其設計的一部分 。這在大多數(shù)工程師看來是理所當然的 。許多現(xiàn)代的運算放大器和儀表放大器的PSR指標在80~100dB以上,可以將電源電壓的變化影響衰減到1/10,000~1/100,000 。甚至最適度的40 dB PSR的放大器隔離對電源也可以起到1/100的抑制作用 。不過,總是需要高頻旁路電容(正如圖1~7所示)并且經(jīng)常起到重要作用 。
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(jīng)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(yōu)良的PSR性能會丟失 。
在圖10中,在分壓器的輸出端增加一個大電容器以濾除電源電壓的變化并且保證PSR性能 。濾波器的-3 dB極點由電阻器R1/R2并聯(lián)和電容器C1決定 。-3 dB極點應當設置在最低有用頻率的1/10處 。
圖10.保證PSR性能的參考端退耦電路
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 。
該濾波器充電需要時間 。按照試用值,參考輸入的上升時間應是時間常數(shù)的幾倍(這里T=R3Cf= 5 s),或10~15s 。
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 。
圖11.將運算放大器緩沖器接成有源濾波器驅動儀表放大器的參考輸入引腳
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(diào)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 。
單電源運算放大器電路的退耦
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 。
一種常用但不正確的方法是利用100 kΩ/100 kΩ電阻分壓器(加0.1μF旁路電容)提供VS/2給運算放大器的同相輸入端 。使用這樣小的電容值對電源退耦通常是不夠的,因為極點僅為32 Hz 。電路出現(xiàn)不穩(wěn)定(“低頻振蕩”),特別是在驅動感性負載時 。
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 。
圖12.單電源同相輸入放大器電路正確的電源退耦方案 。中頻增益=1+R2/R1
如上圖所示,當采用100 kΩ/100 kΩ電阻分壓器時一個好的經(jīng)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 ΩF, 。而100 μF(0.03 Hz)實際上對所有電路都足夠了 。
圖13.單電源反相輸入放大器正確的退耦電路,中頻增益= – R2/R1
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