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：1. 严格匹配温度系数 2. 低的绝对温度系数 3. 低的热阻（较高的额定功率——较大的外壳） 4. 低的电压阻尼系数 5. 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。电容电容器是另一种基本的电子元件，实际使用时可能是不理想的，因而会损害了电路的性能。 考虑到尺寸和成本，大多数实用的、大数值的电容都是电解型的(等效电路如图5)，可见，这样的电容特别适用于滤除低频噪声： Z=R_C+jωL_C+1/jωC当频率增加时，电解电容的容抗将降低，直到感抗等于容抗为止，取决于所用的电解电容的确切型号，它可能出现在大约1MHz的频率处。对于高频旁路,要求选用不同型号的电容,通常是推荐一种廉价的、小型陶瓷电容（0.01～0.1μF）。在1 MHz处，0.1μF电容的容抗是1.6Ω，但是应注意，廉价的陶瓷电容多半不都只是 “容”性的。陶瓷电容有很多功用，优良NPO（负-正-零温度系数）器件有±30p pm/℃的温度系数，并且相对较便宜。但是陶瓷电容不是灵丹妙药，取决于用作结构材料的陶瓷介质成分,它们有0.1％到1％,甚至更多的介质吸收（D.A.）作用。 介质吸收其实就是，当快速充电和放电时，吸入到介质内的电荷不能马上加到电容上或从电容上离开(如图6所示)。这种效应在有很多通道的数据收集系统中是有害的。在转换以前，这些通道里都有由采样-保持电路采集的各种各样的数据，在 最大阶跃的最坏情形中，由保持电容的介质吸收引起的误差，等于介质吸收能力 。由于正在测量的电压和以前测量的电压之间的差值决定了介质吸收指数所要乘的系数，所以对这个误差源做快速校正是不可能的。唯一的解决办法是使用一个介质吸收低于最大可允许误差的电容器。电容选择可参照表2的电容型号表。