什么是直流偏置

直流偏置現(xiàn)象是指在傳感器或電子設(shè)備中出現(xiàn)的不希望的直流成分。在無輸入的情況下，輸出具有一定的直流電壓，導(dǎo)致在加入輸入信號后，出現(xiàn)在輸出信號上疊加一定的直流偏置，直流偏置可能會導(dǎo)致信號失真、數(shù)據(jù)錯誤以及系統(tǒng)性能下降等問題，因此需要采取相應(yīng)的校正措施。

直流偏置可能由多種因素引起，如電路問題、系統(tǒng)故障或外部源。在模擬音頻系統(tǒng)中，直流偏置可能來自各種來源，包括電容器故障、布線不平衡或放大器設(shè)計不當(dāng)。在數(shù)字音頻系統(tǒng)中，直流偏置可能由量化誤差、偏置電路或不當(dāng)接地產(chǎn)生，直流偏置的一個常見原因是放大器電路。

理想狀態(tài)下，如果運算放大器的兩個輸入端電壓完全相同，輸出應(yīng)為0 V。實際上，還必須在輸入端施加小差分電壓，強制輸出達(dá)到0。該電壓稱為輸入失調(diào)電壓VOS。輸入失調(diào)電壓可以看成是電壓源VOS，如圖1-1所示。

圖1-1 輸入失調(diào)電壓

如果在設(shè)計電路時存在差分放大電路，原信號具有相同的直流電壓，通過差分放大電路將共模成分給濾掉，放大差模信號，輸出可能也會存在一定的共模電壓。這主要是運放不能完全將共模成分濾掉，它存在一個共模抑制比（CMRR）的參數(shù)用于判斷該運放對于共模電壓抑制的能力，一般CMRR越大，抑制效果越好，如圖1-2所示共模電路。

圖1-2 共模電路

實際的運放存在多種參數(shù)，例如輸入失調(diào)電壓，共模抑制比等等，這些因素都會引起直流偏置。運算放大器OPA277的實際參數(shù)如圖2-1，2-2 所示[1]。

圖2-1 輸入失調(diào)電壓

圖2-2 共模抑制比

如何消除直流偏置

在實際應(yīng)用中具有很多方法去消除直流偏置，使得信號在零點附近更加穩(wěn)定。例如：

基準(zhǔn)電壓法：通過添加一個可調(diào)的基準(zhǔn)電壓，與信號疊加后實現(xiàn)直流偏置的補償。

數(shù)字濾波法：設(shè)計濾波算法實現(xiàn)對信號中直流分量的消除或抑制。

直流隔離法：通過使用耦合電容或變壓器等元件，將直流分量從信號中分離，實現(xiàn)直流偏置校正。

如果使用單運放進行設(shè)計時，常常在單運放會預(yù)留兩個Offset引腳，可以通過外接可調(diào)電阻手動調(diào)整運放兩個輸入端對稱來以此調(diào)零。

在設(shè)計中常常通過基準(zhǔn)電壓法去消除直流偏置。這是因為采用數(shù)字濾波法，實際會影響信號的帶寬，會影響原信號的測試；而通過耦合電容的方法，頻率響應(yīng)受電容值影響，低頻信號可能衰減。

而若使用示波器的交流耦合功能去除直流成分時，本質(zhì)上是示波器通道的放大器前加入耦合電容實現(xiàn)的，本質(zhì)上是一個高通濾波器。示波器交流耦合的響應(yīng)為一階響應(yīng)，這意味著截止頻率附近很寬的頻帶內(nèi)幅頻和相頻響應(yīng)會受到影響，觀察頻率成分較為復(fù)雜的信號時可能帶來失真。

一般示波器交流耦合截止頻率都低于10 Hz，一般在5hz左右，下圖2-3是理想一階RC的幅頻特征曲線，信號頻率若太低，則會出現(xiàn)衰減。

圖2-3 波特圖

參考文獻：

[1]《OPA277UA/2K5.PDF》

https://www.ti.com/cn/lit/ds/symlink/opa4277.pdf?ts=1756696733569&ref_url=https%253A%252F%252Fso.szlcsc.com%252F