直接耦合和电容耦合输入的运放DC工作点

直接耦合和电容耦合输入的运放DC工作点

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​ 使用运放的时候，有些数据手册会让信号通过一个$1\mu F$的电容再输入到运放中。刚开始接触的时候会疑惑输入信号串联了一个电容，那么输入DC工作点（输入共模电压）如何确定？此处以全差分运放为例进行说明。

​ 对于全差分运放，其需要共模反馈，因此其输出的共模电压是确定的，等于$V_{O-CM}$。

​ 如下图所示，输入信号为共模DC值为$V_{IN-CM}$、差分输入信号幅值为$V_S/2$的信号。

​ 当我们考虑共模信号的时候，就不需要考虑$V_S$，只需要考虑$V_{IN-CM}$。由于电容的阻隔，因此对于共模DC而言，电阻$R_2$上没有电流（电阻$R_2$两端压降为0），因此电阻$R_1$上也没有压降。显然，输入共模DC=$V_{X-P}$=$V_{O-CM}$。这意味电容两端的压差就等于$V_{O-CM}-V_{IN-CM}$。也就是芯片内部自己负反馈给自己输入信号做了共模DC偏置。这意味不管我们输入信号的DC值是多大，都不会影响到我们芯片的工作点，保证了运放芯片始终正常工作。

​ 然而，总有用户不按照datasheet操作，直接不加输入耦合电容，将信号直接怼到输入PIN脚，如下图所示。

​ 此时，不存在电容“隔直”作用，运放正负输入端的共模DC电平$V_{X-CM}$等于

$$V_{X-CM}=V_{IN-CM}+(V_{O-CM}-V_{IN-CM})·R_2/(R_2+R_1)$$

​ 即运放正负输入端的共模DC电平$V_{X-CM}$是由输出共模电平和用户输入信号的输入共模电平共同作用。由于输出共模电平是由一个负反馈环路（即共模反馈环路）钳制在某一个固定电平，不管输入信号共模DC如何变化，该值基本保持不变，因此$V_{X-CM}$就会随$V_{IN-CM}$变化而变化。如果$V_{IN-CM}$设置得比较极端，使得$V_{X-CM}$不在全差分运放所能忍受的共模输入范围内，则全差分运放不能正常工作。

​ 全差分运放不能正常工作不仅会影响其本身的放大能力，可能还会使得共模反馈也跟着失效，从而导致输出共模电平也发生错误。假设本级FDA后面电路也是直接耦合的（芯片内部都是直接耦合的），原本匹配的是设定好的$V_{O-CM}$，此时由于$V_{O-CM}$发生错误，可能也会影响到后面电路的工作。所以，最前面一级运放是否应该做一个rubust的设计来避免由于直接耦合输入导致的输出共模电压$V_{O-CM}$失效？笔者觉得是需要。