對電阻使用的經驗法則說不

作者：Harry Holt

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。 本文探究為什麼會有這麼一條經驗法則，

以及我們是否應當遵循這種做法。

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， 那麼平衡運算放大器輸入端電阻的觀念必定已紮根在您的頭腦中。 隨著時間的流逝， 由於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雜訊， 使電路更不穩定。 我們以前為什麼要那樣做？什麼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， 第一代運算放大器採用普通雙極性工藝製造。 為獲得合理的速度， 差分對電流源電流一般在10 μA到20 μA範圍內。

而β值為40到70， 故輸入偏置電流在1 μA左右。 然而， 電晶體匹配度不是那麼高， 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和回饋電阻R2的並聯組合相等的電阻（圖1中的R3）， 可以讓阻抗相等。 做一些計算可以證明， 誤差降至Ioffset × Rfeedback。 由於Ioffset為Ibias的10%到20%， 所以這會有助於降低輸出失調誤差。

圖1. 經典反相放大器

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2使偏置電流大大降低， 但輸入失調電流可能為剩餘偏置電流的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。

雜訊

電阻熱雜訊的計算公式為√4kTRB， 故1 kΩ電阻會有4 nV/√Hz的雜訊。 增加電阻會增加雜訊。 在圖2中， 出人意料的是， 雖然909 Ω補償電阻是值最低的電阻， 但由於從該節點到輸出端的雜訊增益， 它給圖2輸出端貢獻的雜訊最多。 R1引起的輸出雜訊為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， 如果運算放大器採用雙電源供電， 並且一個電源先於另一個電源上電，

那麼ESD網路可能發生閂鎖問題。 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雜訊貢獻。

圖2. 雜訊分析

穩定性

所有運算放大器都有一定的輸入電容，

包括差分和共模。 如果運算放大器連接為跟隨器， 並且在回饋路徑中放入一個電阻以平衡阻抗， 那麼系統可能容易發生振盪。 原因是：大回饋電阻、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， 並降低閉環系統的相位裕量。 如果降低得太多， 運算放大器就會振盪。 一位元客戶在一個1 Hz Sallen-Key低通濾波器電路中使用AD8628 CMOS運算放大器。 由於轉折頻率較低， 電阻和電容相當大（參見圖3）。 輸入電阻為470 kΩ， 所以客戶在回饋路徑中放入一個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極點。 AD8628的增益頻寬積為2 MHz， 因此它在42 kHz仍有大量增益， 它發生了軌到軌振盪。 把470 kΩ電阻換成0 Ω跳線即解決了問題。 因此， 回饋路徑中應避免使用大電阻。 這裡，何者為大取決於運算放大器的增益頻寬。對於高頻運算放大器，例如增益頻寬超過400 MHz的ADA4817-1，1 kΩ回饋電阻就稱得上是大電阻。務必閱讀資料手冊以瞭解其中的建議。

圖3. 您所見

圖4. 電子所見

結語

多年來的實踐會產生一些有用的經驗法則。審核設計時，仔細檢視這些規則，判定它們是否仍然適用是很好的做法。關於是否需要增加平衡電阻，如果運算放大器是帶有輸入偏置電流消除功能的CMOS、JFET或雙極型，那麼很可能不需要添加。

讀完本文後，您可能會意外提問是關於雜訊的。

請回答以下三個問題：

問題1：以下哪個雜訊是在電阻中產生的？

爆米花雜訊

紅雜訊

粉紅雜訊

1/f雜訊

白色雜訊

詹森雜訊

奈奎斯特雜訊

白色雜訊

問題2：室溫(20°C)條件下，等效雜訊頻寬為20 kHz時，10 kΩ電阻產生的均方根雜訊是多少?

問題3：24位元音訊ADC的輸入電壓範圍為2.5 V時，用此VNOISE可以獲得多少閃爍位？

您可以在 學子專區博客（https://ez.analog.com/community/studentzone） 找到問題答案。

參考電路

1 Ken Shirriff. “瞭解矽電路：普遍使用的741運算放大器揭秘.” 2015年。

2 “教程MT-038：運算放大器輸入偏置電流.” 。ADI公司，2009年。

關於作者

Harry Holt 是ADI核心應用部門的高級應用工程師。之前，他在精密放大器部門任職五年。Harry曾在美國國家半導 體公司工作了 27 年，從事各種產品的現場和工廠應用，包括資料轉換器、運算放大器、基準源、音訊轉碼器和FPGA。他持有聖約瑟州 立大學的電子工程學士學位(BSEE)，並且是國家工程榮譽協會(Tau Beta Pi)終身會員和IEEE的高級會員。

關於電子創新網

電子創新網及時發佈有關創新設計的最新全球半導體產業資訊、半導體供應商最新動態、展會研討會資訊、技術趨勢資訊以及人物訪談等相關新聞，關注公眾號獲取更多資訊。

這裡，何者為大取決於運算放大器的增益頻寬。對於高頻運算放大器，例如增益頻寬超過400 MHz的ADA4817-1，1 kΩ回饋電阻就稱得上是大電阻。務必閱讀資料手冊以瞭解其中的建議。

圖3. 您所見

圖4. 電子所見

結語

多年來的實踐會產生一些有用的經驗法則。審核設計時，仔細檢視這些規則，判定它們是否仍然適用是很好的做法。關於是否需要增加平衡電阻，如果運算放大器是帶有輸入偏置電流消除功能的CMOS、JFET或雙極型，那麼很可能不需要添加。

讀完本文後，您可能會意外提問是關於雜訊的。

請回答以下三個問題：

問題1：以下哪個雜訊是在電阻中產生的？

爆米花雜訊

紅雜訊

粉紅雜訊

1/f雜訊

白色雜訊

詹森雜訊

奈奎斯特雜訊

白色雜訊

問題2：室溫(20°C)條件下，等效雜訊頻寬為20 kHz時，10 kΩ電阻產生的均方根雜訊是多少?

問題3：24位元音訊ADC的輸入電壓範圍為2.5 V時，用此VNOISE可以獲得多少閃爍位？

您可以在 學子專區博客（https://ez.analog.com/community/studentzone） 找到問題答案。

參考電路

1 Ken Shirriff. “瞭解矽電路：普遍使用的741運算放大器揭秘.” 2015年。

2 “教程MT-038：運算放大器輸入偏置電流.” 。ADI公司，2009年。

關於作者

Harry Holt 是ADI核心應用部門的高級應用工程師。之前，他在精密放大器部門任職五年。Harry曾在美國國家半導 體公司工作了 27 年，從事各種產品的現場和工廠應用，包括資料轉換器、運算放大器、基準源、音訊轉碼器和FPGA。他持有聖約瑟州 立大學的電子工程學士學位(BSEE)，並且是國家工程榮譽協會(Tau Beta Pi)終身會員和IEEE的高級會員。

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