信号测试中的偏置现象分析与解决方案

什么是直流偏置

直流偏置现象是指在传感器或电子设备中出现的不希望的直流成分。在无输入的情况下，输出具有一定的直流电压，导致在加入输入信号后，出现在输出信号上叠加一定的直流偏置，直流偏置可能会导致信号失真、数据错误以及系统性能下降等问题，因此需要采取相应的校正措施。

直流偏置可能由多种因素引起，如电路问题、系统故障或外部源。在模拟音频系统中，直流偏置可能来自各种来源，包括电容器故障、布线不平衡或放大器设计不当。在数字音频系统中，直流偏置可能由量化误差、偏置电路或不当接地产生，直流偏置的一个常见原因是放大器电路。

理想状态下，如果运算放大器的两个输入端电压完全相同，输出应为0 V。实际上，还必须在输入端施加小差分电压，强制输出达到0。该电压称为输入失调电压VOS。输入失调电压可以看成是电压源VOS，如图1-1所示。

图1-1 输入失调电压

 

如果在设计电路时存在差分放大电路，原信号具有相同的直流电压，通过差分放大电路将共模成分给滤掉，放大差模信号，输出可能也会存在一定的共模电压。这主要是运放不能完全将共模成分滤掉，它存在一个共模抑制比（CMRR）的参数用于判断该运放对于共模电压抑制的能力，一般CMRR越大，抑制效果越好，如图1-2所示共模电路。

图1-2 共模电路

 

实际的运放存在多种参数，例如输入失调电压，共模抑制比等等，这些因素都会引起直流偏置。运算放大器OPA277的实际参数如图2-1，2-2 所示[1]。

图2-1 输入失调电压

图2-2 共模抑制比

 

 

如何消除直流偏置

在实际应用中具有很多方法去消除直流偏置，使得信号在零点附近更加稳定。例如：

基准电压法：通过添加一个可调的基准电压，与信号叠加后实现直流偏置的补偿。

数字滤波法：设计滤波算法实现对信号中直流分量的消除或抑制。

直流隔离法：通过使用耦合电容或变压器等元件，将直流分量从信号中分离，实现直流偏置校正。

如果使用单运放进行设计时，常常在单运放会预留两个Offset引脚，可以通过外接可调电阻手动调整运放两个输入端对称来以此调零。

在设计中常常通过基准电压法去消除直流偏置。这是因为采用数字滤波法，实际会影响信号的带宽，会影响原信号的测试；而通过耦合电容的方法，频率响应受电容值影响，低频信号可能衰减。

而若使用示波器的交流耦合功能去除直流成分时，本质上是示波器通道的放大器前加入耦合电容实现的，本质上是一个高通滤波器。示波器交流耦合的响应为一阶响应，这意味着截止频率附近很宽的频带内幅频和相频响应会受到影响，观察频率成分较为复杂的信号时可能带来失真。

一般示波器交流耦合截止频率都低于10 Hz，一般在5hz左右，下图2-3是理想一阶RC的幅频特征曲线，信号频率若太低，则会出现衰减。

图2-3 波特图

 

参考文献：

[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