運放電路設(shè)計中無源元件的選擇

以往我們的設(shè)計總是集中在運放本身的規(guī)范上,但常常是無源元件會成為系統(tǒng)性能的主
要限制。本文將集中討論在集成運放電路設(shè)計中,應(yīng)如何正確地選擇無源元件 ,以使運放電路
獲得較高的性能。

電阻
最基本的電路元件是電阻，在電路中（不閉合的），電阻的特性是由歐姆定律V=IR 來描述
的。目前的大多數(shù)通用系統(tǒng)都是基于12 位精度和特性的，這就要求能精確地定義212 =4096
個不同的電平，為了保證每個電平的唯一確定，必須使這些量中的每一個都精確到±
1/2LSB。這就意味著在很多應(yīng)用中，即使精確到±0.012％ 的誤差和漂移，也能使性能降低
到不能接受的程度。
例如，如果我們希望把一個0 到100mV 的信號放大100 倍，用來供給一個具有0 到10 V 輸
入范圍的12 位A/D 轉(zhuǎn)換器來變換，可以使用圖1 電路。

電阻的初始公差可以通過校準(zhǔn)或選擇來補償，因而可以把初始增益精度設(shè)置成所要求的任何
公差。
下一個問題是全溫范圍內(nèi)的穩(wěn)定性問題，大多數(shù)用戶會認(rèn)識到電阻的絕對溫度系數(shù)不是很關(guān)
鍵的，只要那兩個電阻有匹配的溫度系數(shù)。溫度系數(shù)約為1500ppm/℃ 的碳質(zhì)電阻顯然是不
適宜的，即使溫度系數(shù)能夠匹配到（不大可能），15p pm/℃的溫度系數(shù)也是不適宜的。
1/2LSB（0.012％）對應(yīng)于120ppm，施加于這兩個電阻上的8℃溫度變化而引起的增益漂移
如圖2 所示。

購買絕對溫度系數(shù)為10 到100ppm/℃之間的金屬膜電阻相對較為容易。規(guī)定電阻對溫度系
數(shù)跟蹤到2～10ppm/℃也是頗為平常的，例如，假定我們購買了絕對溫度系數(shù)為50ppm/℃
完全匹配的RN55C 電阻，問題能解決嗎?

這個影響甚至不是線性的，在一半幅度的情況下：

放大器電路的傳遞函數(shù)如圖3 所示。

由于誤差的3/4 出現(xiàn)在超過工作范圍的1/2，這種放大器電路的傳遞函數(shù)不是線性的。為了
解決這個問題，在選擇電阻時有五個重點要考慮的問題：
嚴(yán)格匹配溫度系數(shù)
低的絕對溫度系數(shù)
低的熱阻（較高的額定功率——較大的外殼）
低的電壓阻尼系數(shù)
匹配電阻的緊密熱耦合（一個封裝——電阻網(wǎng)絡(luò)）

線繞電阻常被用在精密電路中，如果不能充分了解它們，這些電阻可能引起顯著的誤差。大
多數(shù)精密線繞電阻或者是用標(biāo)準(zhǔn)方法，或者是用無感方法繞制的。從感抗最小的觀點來看，
后者是可取的。這類電阻對于阻值低于10kΩ的情形，仍然有一點電感（約為20μH），電
阻值在10kΩ以上，實際上會呈現(xiàn)出并聯(lián)電容（5pF 左右）。所以需要考察電阻接到導(dǎo)線材
料上的端頭，在兩種不同的金屬接合處將產(chǎn)生熱電動勢，因而在精密電路中可能會出現(xiàn)問題。
標(biāo)準(zhǔn)的精密線繞電阻使用的導(dǎo)線材料稱為“Alloy180”（77％的銅，23％的鎳） ，當(dāng)把它接
到電阻線上時將產(chǎn)生42μV/℃的熱電勢。如果兩個端點保持在同一溫度下，就不會有靜態(tài)
誤差產(chǎn)生。但是如果電阻垂直安裝，電阻的頂端和底端就不大可能處在同樣的溫度下，由于
電阻的耗散功率（由信號電壓引起的），熱量會上升，并產(chǎn)生一個誤差電壓。鍍錫的銅引線
（通常是專用工藝得到的），能把熱電勢降到2.5μV/℃，所以對于精密電路來講這是一個很
值得的選擇。

用于高阻抗環(huán)境的電阻的選擇是很關(guān)鍵的，大兆歐電阻應(yīng)是碳膜或陶瓷淀積氧化物的，以便在低噪聲和高穩(wěn)定性方面獲得最好的性能。大兆歐電阻的最好封裝是用硅樹脂漆噴射的玻璃體，以便使?jié)駳獾挠绊憸p至最小。這種電阻必須處理得非常仔細(xì)，以防止表面沾污。各電阻的優(yōu)缺點摘要如表1 所示。