按照許多年前老師的淳淳教導,通常我們會在運算放大器的兩個輸入端放上相等的阻抗。為什么會有這么一條經驗法則?我們是否應當遵循這種做法呢?請先思考30秒……
先來看看老師的教導……
如果您是在741運算放大器 橫行天下的時代長大的,那么平衡運算放大器輸入端電阻的觀念必定已扎根在您的腦海中。隨著時間的流逝,由于不同電路技術和不同IC工藝的出現,這樣做可能不再是對的。事實上,它可能引起更大直流誤差和更多噪聲,使電路更不穩定。我們以前為什么要那樣做?什么變化導致我們現在這樣做可能是錯誤的?
在二十世紀六十年代和七十年代,第一代運算放大器采用普通雙極性工藝制造。為了獲得合理的速度,差分對尾電流一般在10 μA到20 μA范圍內。
而β值為40到70,故輸入偏置電流在1 μA左右。然而,晶體管匹配度并不那么高,所以輸入偏置電流不相等,導致輸入偏置電流之間有10%到20%的偏差(稱為“輸入失調電流”)。
在同相接地輸入端增加一個與輸入電阻R1和反饋電阻R2的并聯組 合相等的電阻(圖1中的R3),可以讓阻抗相等。通過一些計算可 以證明,誤差降至Ioffset× Rfeedback。由于Ioffset為Ibias的10%到20%,這將有助于降低輸出失調誤差。
圖1. 經典反相放大器
從三個指標來看,上述教導是否完全正確?
1.直流誤差
為降低雙極性運算放大器的輸入偏置電流,許多運算放大器設計集成了輸入偏置電流消除功能。OP07就是一個例子。輸入偏置電流消除功能的增加使偏置電流大大降低,但輸入失調電流可能為剩余偏置電流的50%到100%,所以增加電阻的作用非常有限。但在某些情況下,增加電阻反而可能導致輸出誤差提高。
2.噪聲
電阻熱噪聲的計算公式為√4kTRB,故1 kΩ電阻會有4 nV/√Hz的噪聲。增加電阻會增加噪聲。圖2中,出人意料的是,雖然909 Ω補償電阻是值最低的電阻,但由于從該節點到輸出端的噪聲增益,它給圖2輸出端貢獻的噪聲最多。R1引起的輸出噪聲為40 nV/√Hz,R2為12.6 nV/√Hz,R3為42 nV/√Hz。因此,請勿使用電阻。另一方面,如果運算放大器采用雙電源供電,并且一個電源先于另一個電源上電,那么ESD網絡可能發生閂鎖問題。這種情況下,可能希望增加一定的電阻來保護器件。但若使用的話,應在電阻上放置一個旁路電容以減少電阻的噪聲貢獻。
圖2. 噪聲分析
3.穩定性
所有運算放大器都有一定的輸入電容,包括差模和共模。如果運算放大器連接為跟隨器,并且在反饋路徑中放入一個電阻以平衡阻抗,那么系統可能容易發生振蕩。原因是:大反饋電阻、運算放大器的輸入電容和PC板上的雜散電容會形成一個RC低通濾波器(LPF)。此濾波器會引起相移,并降低閉環系統的相位裕量。如果降低得太多,運算放大器就會振蕩。一位客戶在一個1 Hz Sallen-Key低通濾波器電路中使用AD8628 CMOS運算放大器。由于轉折頻率較低,電阻和電容相當大(參見圖3)。
圖3. 您所見
輸入電阻為470 kΩ,所以客戶在反饋路徑中放入一個470 kΩ電阻。此電阻與8 pF的輸入電容(參見圖4)一起提供一個42 kHz的極點。AD8628的增益帶寬積為2 MHz,因此它在42 kHz仍有大量增益,并發生了軌到軌振蕩。把470 kΩ電阻換成0 Ω跳線即解決了問題。因此,反饋路徑中應避免使用大電阻。這里,何者為大取決于運算放大器的增益帶寬。對于高頻運算放大器,例如增益帶寬積超過400 MHz的ADA4817-1,1 kΩ反饋電阻就稱得上是大電阻。務必閱讀數據手冊以了解其中的建議。
圖4. 電子所見
當然,多年來的實踐必定會產生一些有用的經驗法則。但在審核設計時,最好仔細檢視這些經驗法則,判定它們是否仍然適用。關于是否需要增加平衡電阻,如果是帶有輸入偏置電流消除功能的CMOS、JFET或雙極型運算放大器,那么可能不需要增加。
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原文標題:對電阻使用的經驗法則說“NO”
文章出處:【微信號:analog_devices,微信公眾號:analog_devices】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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