关于电阻的使用,为什么会有这么一条经验法则?
adi 2020-08-14

摘要

按照许多年前老师的教导,我们会在运算放大器的两个输入端放上相等的阻抗。本文探究为什么会有这么一条经验法则,以及我们是否应当遵循这种做法。

老师的教导

如果您是在741运算放大器1横行天下的时代长大的,那么平衡运算放大器输入端电阻的观念必定已扎根在您的脑海中。随着时间的流逝,由于不同电路技术和不同IC工艺的出现,这样做可能不再是对的。事实上,它可能引起更大直流误差和更多噪声,使电路更不稳定。我们以前为什么要那样做?什么变化导致我们现在这样做可能是错误的?

在二十世纪六十年代和七十年代,第一代运算放大器采用普通双极性工艺制造。为了获得合理的速度,差分对尾电流一般在10 µA到20 µA范围内。

而β值为40到70,故输入偏置电流在1 μA左右。然而,晶体管匹配度并不那么高,所以输入偏置电流不相等,导致输入偏置电流之间有10%到20%的偏差(称为“输入失调电流”)。在同相接地输入端增加一个与输入电阻R1和反馈电阻R2的并联组合相等的电阻(图1中的R3),可以让阻抗相等。通过一些计算可以证明,误差降至Ioffset × Rfeedback。由于Ioffset为Ibias的10%到20%,这将有助于降低输出失调误差。

经典反相放大器图1. 经典反相放大器

直流误差

为降低双极性运算放大器的输入偏置电流,许多运算放大器设计集成了输入偏置电流消除功能。OP07就是一个例子。输入偏置电流消除功能的增加2使偏置电流大大降低,但输入失调电流可能为剩余偏置电流的50%到100%,所以增加电阻的作用非常有限。某些情况下,增加电阻反而可能导致输出误差提高。

噪声

电阻热噪声的计算公式为√4kTRB,故1 kΩ电阻会有4 nV/√Hz的噪声。增加电阻会增加噪声。图2中,出人意料的是,虽然909 Ω补偿电阻是值最低的电阻,但由于从该节点到输出端的噪声增益,它给图2输出端贡献的噪声最多。R1引起的输出噪声为40 nV/√Hz,R2为12.6 nV/√Hz,R3为42 nV/√Hz。因此,请勿使用电阻。另一方面,如果运算放大器采用双电源供电,并且一个电源先于另一个电源上电,那么ESD网络可能发生闩锁问题。这种情况下,可能希望增加一定的电阻来保护器件。但若使用的话,应在电阻上放置一个旁路电容以减少电阻的噪声贡献。

 噪声分析图2. 噪声分析

稳定性

所有运算放大器都有一定的输入电容,包括差模和共模。如果运算放大器连接为跟随器,并且在反馈路径中放入一个电阻以平衡阻抗,那么系统可能容易发生振荡。原因是:大反馈电阻、运算放大器的输入电容和PC板上的杂散电容会形成一个RC低通滤波器(LPF)。此滤波器会引起相移,并降低闭环系统的相位裕量。如果降低得太多,运算放大器就会振荡。一位客户在一个1 Hz Sallen-Key低通滤波器电路中使用AD8628 CMOS运算放大器。由于转折频率较低,电阻和电容相当大(参见图3)。输入电阻为470 kΩ,所以客户在反馈路径中放入一个470 kΩ电阻。此电阻与8 pF的输入电容(参见图4)一起提供一个42 kHz的极点。AD8628的增益带宽积为2 MHz,因此它在42 kHz仍有大量增益,并发生了轨到轨振荡。把470 kΩ电阻换成0 Ω跳线即解决了问题。因此,反馈路径中应避免使用大电阻。这里,何者为大取决于运算放大器的增益带宽。对于高频运算放大器,例如增益带宽积超过400 MHz的
ADA4817-1,1 kΩ反馈电阻就称得上是大电阻。务必阅读数据手册以了解其中的建议。

图3. 您所见图4. 电子所见

结语

多年来的实践会产生一些有用的经验法则。审核设计时,最好仔细检视这些经验法则,判定它们是否仍然适用。关于是否需要增加平衡电阻,如果是带有输入偏置电流消除功能的CMOS、JFET或双极型运算放大器,那么可能不需要增加。

读完本文后,您可能会意外提问是关于噪声的。请回答以下三个问题:

问题1:以下哪个噪声是在电阻中产生的?

• 爆米花噪声
• 红噪声
• 粉红噪声
• 1/f噪声
• 白噪声
• 约翰逊噪声
• 奈奎斯特噪声
• 白噪声

问题2:室温(20°C)条件下,等效噪声带宽为20 kHz时,10 kΩ电阻产生的均方根噪声是多少?

问题3:24位音频ADC的输入电压范围为2.5 V时,用此VNOISE可以获得多少闪烁位?

作者简介:Harry Holt []是ADI公司的资深应用工程师。过去四年在核心应用部门工作,此前六年在精密放大器部门工作。之前他曾在美国国家半导体公司工作了28年,从事各种产品的现场和工厂应用工作,包括数据转换器、运算放大器、基准源、音频编解码器和FPGA。他拥有圣何塞州立大学电气工程学士学位(BSEE),并且是国家工程荣誉协会(Tau Beta Pi)终身会员和IEEE高级终身会员。

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
1
评论
热门推荐
  • 相关技术文库
  • 元器件
  • 电阻
  • 电容
  • 电感
  • 齐纳二极管是如何工作的?

    为了了解齐纳二极管,我们首先看一个常规二极管。当二极管阻止反向电流时,二极管两端会产生较大的压降;当二极管允许电流正向方向流动时,二极管两端的压降很小。 现在我们用齐纳二极管替换二极管。 齐纳二极管允许电流正向流动,在这种情况下,齐纳二极管的

    05-10
  • 二极管关键参数搞懂了解,选型不难

    二极管选型相对简单,相信每个硬件工程师,都有对比过肖特基二极管与PN结二极管的差异。 差异无非有以下结果: 表中参数,看看就好,并不严格,知道二者之间的相对大小就行了 。 了解了上面参数,基本就知道什么电路,该选什么类型的二极管了。   能用PN结二

    05-10
  • ON状态的MOSFET和三极管

    MOSFET和三极管,在ON状态时,MOSFET通常用Rds,三极管通常用饱和Vce。 是否存在能够反过来的情况,三极管用饱和Rce,而MOSFET用饱和Vds呢? 三极管ON状态时工作于饱和区,导通电流Ice主要由Ib与Vce决定,由于三极管的基极驱动电流Ib一般不能保持恒定,因而Ic

    05-10
  • 常用充电IC参数特性一览

    1.TP4056——UMW(友台半导体) TP4056是一款性能优异的单节锂离子电池恒流/恒压线性充电器。TP4056采用ESOP8封装配合较少的外围原件使其非常适用于便携式产品,并且适合给USB电源以及适配器电源供电。  基于特殊的内部MOSFET架构以及防倒充电路,TP4056不需 要

    05-08
  • 掌握常用的4种电容

    电容的种类繁多,眼花缭乱,在使用上定性,我们就能化繁从简,给设计及应用带来便利。 我们绝大多数电路板都能至少找到这4种电容的一种:铝电解电容,陶瓷电容,钽电容,CBB电容。 ❤铝电解电容:有极性,对电源进行滤波储能,常用容值范围:10--470μF;耐压

    05-08
  • 磁珠的原理及选型

    注 | 文末留言有福利哦 0 1 磁珠原理 磁珠的主要原料为铁氧体,铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。 铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金,它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。 电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料,许多厂商

    05-08
  • 二极管产生反向恢复过程的原因

    一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程 在上图所示的硅二极管电路中加入一个如下图所示的输入电压。在0―t1时间内,输入为+VF,二极管导通,电路中有电流流通。 设VD为二极管正向压降(硅管为0.7V左右),当VF远大于VD时,VD可略去不计,则 在t1时,V

    05-06
  • 电容与阻抗

    一直有个疑惑:电容感抗是1/jwC,大电容C大,高频时w也大,阻抗应该很小,不是更适合滤除高频信号?然而事实却是:大电容滤除低频信号。 今天找到解答如下:一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还可以起到稳压

    04-30
  • 上拉电阻、下拉电阻的选择与计算

    首先,想说上拉电阻几乎都是应运三极管电路而生的,但是本文基本上都属于定性的分析,避免对其定量分析,相信即使没有学过三极管晶体电路的同学还是可以基本理解的。 首先还要明确一个术语,所谓开漏(OD),开集(OC)电路就 是场效应管的漏极和三极管的集电

    04-28
  • 学习二极管必须搞清楚的三个方面

    一、二极管的电容效应 二极管具有电容效应。它的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD。 1、势垒电容CB(Cr) 前面已经讲过,PN结内缺少导电的载流子,其电导率很低,相当于介质;而PN结两侧的P区、N区的电导率高,相当于金属导体。从这一结构来看,PN结等效于一个

    04-27
  • MOS管的简单应用

    导体三极管中参与导电的有两种极性的载流子,所以也称为双极型三极管。本文介绍另一种三极管,这种三极管只有一种载流子参与导电,所以也称为单极型三极管,因为这种管子是利用电场效应控制电流的,所以也叫场效应三极管(FET),简称场效应管。MOS在电路中应用

    04-26
  • 拆解元器件!看陶瓷滤波的基本结构

    下图是陶瓷滤波的基本结构和原理,由锆钛酸铅等粉末高温烧结压铸的陶瓷片经高压直流极化后形成具有压电效应的压电材料,具有压电效应和谐振选频功能。 和普通晶振晶体特性类似,因此通过组合可制成各类陶瓷谐振器或者滤波器等器件,下图是其等效电路,和晶振

    04-21
下载排行榜
更多
EE直播间
更多
广告
X
广告