运放电路设计中无源元件的选择

运放电路设计中无源元件的选择

以往我们的设计总是集中在运放本身的规范上,但常常是无源元件会成为系统性能的主
要限制。本文将集中讨论在集成运放电路设计中,应如何正确地选择无源元件 ,以使运放电路
获得较高的性能。

电阻
最基本的电路元件是电阻，在电路中（不闭合的），电阻的特性是由欧姆定律V=IR 来描述
的。目前的大多数通用系统都是基于12 位精度和特性的，这就要求能精确地定义212 =4096
个不同的电平，为了保证每个电平的唯一确定，必须使这些量中的每一个都精确到±
1/2LSB。这就意味着在很多应用中，即使精确到±0.012％ 的误差和漂移，也能使性能降低
到不能接受的程度。
例如，如果我们希望把一个0 到100mV 的信号放大100 倍，用来供给一个具有0 到10 V 输
入范围的12 位A/D 转换器来变换，可以使用图1 电路。

电阻的初始公差可以通过校准或选择来补偿，因而可以把初始增益精度设置成所要求的任何
公差。
下一个问题是全温范围内的稳定性问题，大多数用户会认识到电阻的绝对温度系数不是很关
键的，只要那两个电阻有匹配的温度系数。温度系数约为1500ppm/℃ 的碳质电阻显然是不
适宜的，即使温度系数能够匹配到（不大可能），15p pm/℃的温度系数也是不适宜的。
1/2LSB（0.012％）对应于120ppm，施加于这两个电阻上的8℃温度变化而引起的增益漂移
如图2 所示。

购买绝对温度系数为10 到100ppm/℃之间的金属膜电阻相对较为容易。规定电阻对温度系
数跟踪到2～10ppm/℃也是颇为平常的，例如，假定我们购买了绝对温度系数为50ppm/℃
完全匹配的RN55C 电阻，问题能解决吗?

这个影响甚至不是线性的，在一半幅度的情况下：

放大器电路的传递函数如图3 所示。

由于误差的3/4 出现在超过工作范围的1/2，这种放大器电路的传递函数不是线性的。为了
解决这个问题，在选择电阻时有五个重点要考虑的问题：
严格匹配温度系数
低的绝对温度系数
低的热阻（较高的额定功率——较大的外壳）
低的电压阻尼系数
匹配电阻的紧密热耦合（一个封装——电阻网络）

线绕电阻常被用在精密电路中，如果不能充分了解它们，这些电阻可能引起显著的误差。大
多数精密线绕电阻或者是用标准方法，或者是用无感方法绕制的。从感抗最小的观点来看，
后者是可取的。这类电阻对于阻值低于10kΩ的情形，仍然有一点电感（约为20μH），电
阻值在10kΩ以上，实际上会呈现出并联电容（5pF 左右）。所以需要考察电阻接到导线材
料上的端头，在两种不同的金属接合处将产生热电动势，因而在精密电路中可能会出现问题。
标准的精密线绕电阻使用的导线材料称为“Alloy180”（77％的铜，23％的镍） ，当把它接
到电阻线上时将产生42μV/℃的热电势。如果两个端点保持在同一温度下，就不会有静态
误差产生。但是如果电阻垂直安装，电阻的顶端和底端就不大可能处在同样的温度下，由于
电阻的耗散功率（由信号电压引起的），热量会上升，并产生一个误差电压。镀锡的铜引线
（通常是专用工艺得到的），能把热电势降到2.5μV/℃，所以对于精密电路来讲这是一个很
值得的选择。

用于高阻抗环境的电阻的选择是很关键的，大兆欧电阻应是碳膜或陶瓷淀积氧化物的，以便在低噪声和高稳定性方面获得最好的性能。大兆欧电阻的最好封装是用硅树脂漆喷射的玻璃体，以便使湿气的影响减至最小。这种电阻必须处理得非常仔细，以防止表面沾污。各电阻的优缺点摘要如表1 所示。