運(yùn)放2-運(yùn)放的電阻選型
之前一章節(jié)我們講的是理想運(yùn)放和虛斷虛短的基本概念,這一章節(jié)來看看運(yùn)放的電阻的選型,電阻的選型是比較重要的章節(jié),前一章講述了運(yùn)放電路的增益就是兩個電阻的比值,如果要增益等于2,那么兩個電阻的比值就要分配比例達(dá)到2,這樣的話電阻的選擇可以有很多種,比如R1=2K,R2=1K;R1=20K,R2=10K;R1=200K,R2=100K等等,那么哪種方式是合適的呢?
電阻的大小有哪些因素的影響:
1)驅(qū)動能力和功耗的影響;
2)誤差;
3)穩(wěn)定性;
先來講下驅(qū)動能力和功耗的影響
如上圖,假設(shè)R1=2R,R2=1R;計算得流過反饋電阻的電流為1A,這個電流是從放大器輸出的,顯然這個電流太大,一般放大器沒那么大的驅(qū)動能力。以TI的LM2904來說,其輸出能力如下圖:
剛剛提到的這個電流是運(yùn)放里面輸出的,也就是拉電流;如果電流是從輸出端流入運(yùn)放里面的,那就是灌電流;即上圖中LM2904的最大輸出拉電流 最小值為10mA,輸出電壓最大時,輸出電流也最大,若用3.3V供電,則輸出電壓不會超過3.3V,所以最大的輸出電流Imax=3.3V/R1<10mA,則R1>330Ω;如果電阻小于這個值,那電流會大于10mA,那輸出電壓幅度會降低,則會發(fā)生畸變。如下圖LM2904的輸出電壓和輸出電流的關(guān)系,在電流過大時,輸出電壓的最大擺幅會下降。若這個放大器是非軌對軌輸出的,在電流較小時,輸出最大的電壓只比VCC小1.2V左右,的那個輸出電流大于30mA,可看到VCC-VOUT急劇上升,即VOUT急劇下降,輸出電壓幅度下降。
這個30mA是個典型值,我們真正設(shè)計時會考慮溫度,器件一致性等,所以計算時用的表中的10mA。用這個值只能得到電阻的下限值,那上限值怎么來估算呢?
接下來來說說誤差這個因素
如果反饋電阻過大,輸出誤差可能會增大,只要有以下原因:
1.電阻本身是有噪聲的,阻值越大,噪聲越大;
2.電阻過大,增大了偏置電流引起的失調(diào)電壓;
第一點(diǎn),一般來說電阻的噪聲不能大于運(yùn)放本身的噪聲,因運(yùn)放的噪聲跟成本有關(guān)。
先來了解運(yùn)放的噪聲,查LM2904的手冊,如下圖:
我們要先求電路的帶寬噪聲,系統(tǒng)帶寬是指電路的帶寬,上面電路放大兩倍之后,LM2804本身的增益帶寬積為0.7MHZ,所以系統(tǒng)3DB帶寬為0.7M/2=0.35MHZ,這個電路等效于一階濾波器,帶寬還需要乘以相關(guān)系數(shù)1.57,因此最終的系統(tǒng)帶寬為0.35MHZ*1.57=0.55MHZ。
從上面曲線可以看出,系統(tǒng)的帶寬噪聲電壓米度為40nV(HZ)^0.5,也可以去數(shù)據(jù)表中查:
計算得電路的帶寬噪聲有效值:
除了帶寬噪聲,還需要計算1/f噪聲,計算過程如下:
電路的寬帶噪聲為29665nV,而1/f噪聲為574nV,可以看到帶寬噪聲占主導(dǎo)地位,我們繼續(xù)求得電路的總噪聲為29671nV;
這個噪聲可以看做運(yùn)放輸入端的噪聲電壓,也就是說它是可以被放大的。
下面來計算電阻噪聲,電阻噪聲一般來說是熱噪聲,熱噪聲的有效值計算如下:
這個圖中,之前計算的B=0.55MHZ,當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時,根據(jù)開爾文計算T=25+237.15=298.15K,前述電阻噪聲不能大于運(yùn)放本身的噪聲,如下計算得知:
R<97.2K;這個電阻是R1,R2并聯(lián)的結(jié)果,又因R1=2R2,R=0.33R1,推出R1<295K;
如果電阻取小一些,電阻的噪聲也會小些。除此之后電阻過大,會增大偏置電流引起的失調(diào)電壓,也會增大誤差。
偏置電流的影響
我們知道運(yùn)放的輸入阻抗很大,才有虛斷的概念,其根本原因是因?yàn)橥獠侩娮璧碾娏鬟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于運(yùn)放輸入端的偏置電流,所以分析電路的時候可以忽略偏置電流,將流入運(yùn)放輸入端的電流基本看做0;
Ib可以從手冊上查到,直接查看LM2904的規(guī)格書,可以看到最大的Ib為300nA。
Ib為0時沒有Ib引起的誤差,但是當(dāng)Ib不為0時,其造成的輸出電壓誤差就是Ib在反饋電阻R1上的壓降。
當(dāng)Ib為0時,有IR1=IR2,Vout=IR1*R1=IR2*R1,即IR2*R1為無誤差時的輸出電壓;
當(dāng)Ib不為0時,有IR1=IR2+Ib,Vout=IR1*Ib=(IR2+Ib)*R1=IR2*R1+R1*Ib;相對于Ib為0 輸出電壓,R1*Ib為多出來的,即為Ib引起的輸出電壓。
以LM2904來算,若假設(shè)輸出電壓誤差小于10mV,則有R1*300nA<10mV;可以求得R1<33.3K;這是對偏置電流的大概估評,除此之外,電阻可能會因放大器的穩(wěn)定性,特別是在高速運(yùn)放電路應(yīng)用上。
這個反饋電阻選型其實(shí)跟很多因素有關(guān),比如用什么運(yùn)放,噪聲要求,是否做低功耗等都有關(guān)聯(lián),我們在實(shí)際應(yīng)用要集合自己的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),然后集合電路仿真等多去動手分析。
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