信號(hào)測(cè)試中的偏置現(xiàn)象分析與解決方案

來(lái)源：發(fā)布時(shí)間：2025-10-17

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(wú)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(hào)后，出現(xiàn)在輸出信號(hào)上疊加一定的直流偏置，直流偏置可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤以及系統(tǒng)性能下降等問(wèn)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(wèn)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(lái)自各種來(lái)源，包括電容器故障、布線不平衡或放大器設(shè)計(jì)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(gè)常見(jiàn)原因是放大器電路。

理想狀態(tài)下，如果運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端電壓完全相同，輸出應(yīng)為0 V。實(shí)際上，還必須在輸入端施加小差分電壓，強(qiáng)制輸出達(dá)到0。該電壓稱(chēng)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(jì)電路時(shí)存在差分放大電路，原信號(hào)具有相同的直流電壓，通過(guò)差分放大電路將共模成分給濾掉，放大差模信號(hào)，輸出可能也會(huì)存在一定的共模電壓。這主要是運(yùn)放不能完全將共模成分濾掉，它存在一個(gè)共模抑制比（CMRR）的參數(shù)用于判斷該運(yùn)放對(duì)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(shí)際的運(yùn)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(huì)引起直流偏置。運(yùn)算放大器OPA277的實(shí)際參數(shù)如圖2-1，2-2 所示。

圖2-1 輸入失調(diào)電壓

圖2-2 共模抑制比

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

基準(zhǔn)電壓法：通過(guò)添加一個(gè)可調(diào)的基準(zhǔn)電壓，與信號(hào)疊加后實(shí)現(xiàn)直流偏置的補(bǔ)償。

數(shù)字濾波法：設(shè)計(jì)濾波算法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)中直流分量的消除或抑制。

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

如果使用單運(yùn)放進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，常常在單運(yùn)放會(huì)預(yù)留兩個(gè)Offset引腳，可以通過(guò)外接可調(diào)電阻手動(dòng)調(diào)整運(yùn)放兩個(gè)輸入端對(duì)稱(chēng)來(lái)以此調(diào)零。

在設(shè)計(jì)中常常通過(guò)基準(zhǔn)電壓法去消除直流偏置。這是因?yàn)椴捎脭?shù)字濾波法，實(shí)際會(huì)影響信號(hào)的帶寬，會(huì)影響原信號(hào)的測(cè)試；而通過(guò)耦合電容的方法，頻率響應(yīng)受電容值影響，低頻信號(hào)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(shí)，本質(zhì)上是示波器通道的放大器前加入耦合電容實(shí)現(xiàn)的，本質(zhì)上是一個(gè)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(huì)受到影響，觀察頻率成分較為復(fù)雜的信號(hào)時(shí)可能帶來(lái)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(hào)頻率若太低，則會(huì)出現(xiàn)衰減。