运放是硬件电路设计中是一个用起来简单,但分析起来复杂的元器件。用起来简单,是因为,要放大10倍的信号,只需要接成同相放大电路,利用输入输出的闭环放大倍数Acl=(1+RF/R1)=10,自然就能得到想要的放大倍数。分析起来复杂,是因为运放内部结构太复杂,根本无从下手。所以也就不想去下手,还是直接用结论,实现硬件功能完事。但是这个直接用闭环放大倍数,就涉及到一个问题,放大倍数RF/R1是一个比值,但是实际电路中的分压电阻应该怎么选择呢? 反馈电阻的选取,有四个方面的选取考虑。第一个方面就是电阻的功耗,阻值越大,流过电阻的电流就越小,在待机的时候消耗的功率就越小,这个在低功耗设备中尤其重要。 第二个方面的考虑就和功耗的选取原则相反:需要考虑电阻上面的热噪声,电阻的热噪音是由于温度原因使电阻中的自由电子做不规则的热运动而带来的,因此热噪音具有起伏性质。根据热噪声有效值的计算公式,可以看出电阻越大,噪声也越大,噪声随着电阻阻值的增加而增加。因此在一些精密电流采样场合,热噪声会影响采样精度,所以电阻阻值又不能选取过大。 第三个方面的考虑,就是输入偏置电流的影响。对于实际的运放器件,同相端和反相端不是无穷大的阻抗,是存在输入偏置电流。那么在0输入电压的时候,采用叠加原理分析,令Ib1≠0,Ib2=0,对于同相端的电压Vp=Ib1*R2,此时输出电压Vo1=-Ib1*R2*(1+R2/R1) 令Ib2≠0,Ib1=0,此时反相端虚短电压等于0,输出电压Vo2=Ib2*RF 最终输出电压Vo=Vo1+Vo2=-Ib1*R2*(1+R2/R1)+Ib2*RF 对于零输入电压情况下,希望输出电压也是零 此时就有-Ib1*R2*(1+R2/R1)+Ib2*RF=0 由于Ib1和Ib2的电流值很小,大多数情况下可以近似相等,就能得到在零输入,也能零输出满足的条件:R2=RF//R1 所以在很多电路设计中,会要求同相端电阻的阻值等于反馈电阻和反相电阻的并联之和,但是上文提到,Ib1和Ib2是近似相等,当电路设计中,令R2=RF//R1 那么此时输出电压Vo=RF//R1*(Ib2-Ib1) 到了这里,这发现R2和RF取值对输出电压的影响,如果运放同相和反相的输入偏置电流不等,在运放芯片规格书中个,一般定义Ios=Ib2-Ib1为输入失调电流。这个数值一般在pA级别。R2和RF的阻值越大,那么并联之后的阻值也就越大,此时输出电压也就越大。因为此时分析的是零输入电压的情况,此时输出电压也成为输出偏置电压。所以R2和RF的阻值选取不合理,会造成输出偏置电压过大,造成系统工作不正常的。通过下图仿真,也可以看出,相同的运放,放大比例是一样,但是输出失调电压相差十倍,这个就是输入失调电流引起的输出失调电压变化,所以在设计精密运放电路的时候,如果运放信号不能更改的话,要争取选择分压电阻的阻值。 分压电阻阻值第四个方面的考虑,就是环路特性,由于反馈电阻是环路增益的一部分,所以合适的分压电阻,在响应阶跃激励的情况下,动态特性会更好。下图的频率特性仿真,也表明两个电路的频响曲线是不一样的。所以这个方面的考虑,需要根据实际电路调试,也要格外留心注意的。
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