摘要

按照許多年前老師的教導，我們會在運算放大器的兩個輸入端放上相等的阻抗。本文探究為什么會有這么一條經(jīng)驗法則，以及我們是否應(yīng)當遵循這種做法。

老師的教導

如果您是在741運算放大器1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(shù)和不同IC工藝的出現(xiàn)，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(wěn)定。我們以前為什么要那樣做？什么變化導致我們現(xiàn)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(nèi)。

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(diào)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(lián)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(diào)誤差。

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(shè)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2使偏置電流大大降低，但輸入失調(diào)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。某些情況下，增加電阻反而可能導致輸出誤差提高。

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zui低的電阻，但由于從該節(jié)點到輸出端的噪聲增益，它給圖2輸出端貢獻的噪聲zui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(wǎng)絡(luò)可能發(fā)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(yīng)在電阻上放置一個旁路電容以減少電阻的噪聲貢獻。

穩(wěn)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(tǒng)可能容易發(fā)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(huán)系統(tǒng)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(zhuǎn)折頻率較低，電阻和電容相當大（參見圖3）。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(fā)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(yīng)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(wù)必閱讀數(shù)據(jù)手冊以了解其中的建議。

結(jié)語

多年來的實踐會產(chǎn)生一些有用的經(jīng)驗法則。審核設(shè)計時，zui好仔細檢視這些經(jīng)驗法則，判定它們是否仍然適用。關(guān)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。

讀完本文后，您可能會意外提問是關(guān)于噪聲的。請回答以下三個問題：

問題1：以下哪個噪聲是在電阻中產(chǎn)生的？

? 爆米花噪聲
? 紅噪聲
? 粉紅噪聲
? 1/f噪聲
? 白噪聲
? 約翰遜噪聲
? 奈奎斯特噪聲
? 白噪聲

問題2：室溫(20°C)條件下，等效噪聲帶寬為20 kHz時，10 kΩ電阻產(chǎn)生的均方根噪聲是多少?

問題3：24位音頻ADC的輸入電壓范圍為2.5 V時，用此VNOISE可以獲得多少閃爍位？

作者簡介：Harry Holt []是ADI公司的資 深應(yīng)用工程師。過去四年在核心應(yīng)用部門工作，此前六年在精密放大器部門工作。之前他曾在美國國家半導體公司工作了28年，從事各種產(chǎn)品的現(xiàn)場和工廠應(yīng)用工作，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、運算放大器、基準源、音頻編解 碼 器和FPGA。他擁有圣何塞州立大學電氣工程學士學位(BSEE)，并且是國家工程榮譽協(xié)會(Tau Beta Pi)終身會員和IEEE高 級終身會員。