运放2-运放的电阻选型

【资料图】

之前一章节我们讲的是理想运放和虚断虚短的基本概念，这一章节来看看运放的电阻的选型，电阻的选型是比较重要的章节，前一章讲述了运放电路的增益就是两个电阻的比值，如果要增益等于2，那么两个电阻的比值就要分配比例达到2，这样的话电阻的选择可以有很多种，比如R1=2K,R2=1K;R1=20K,R2=10K;R1=200K,R2=100K等等，那么哪种方式是合适的呢？

电阻的大小有哪些因素的影响：

1）驱动能力和功耗的影响；

2）误差；

3）稳定性；

先来讲下驱动能力和功耗的影响

一般来说电阻越小，功耗越高，放大器的输出电流越大。

如上图，假设R1=2R,R2=1R;计算得流过反馈电阻的电流为1A，这个电流是从放大器输出的，显然这个电流太大，一般放大器没那么大的驱动能力。以TI的LM2904来说，其输出能力如下图：

刚刚提到的这个电流是运放里面输出的，也就是拉电流；如果电流是从输出端流入运放里面的，那就是灌电流；即上图中LM2904的最大输出拉电流 最小值为10mA，输出电压最大时，输出电流也最大，若用3.3V供电，则输出电压不会超过3.3V，所以最大的输出电流Imax=3.3V/R1<10mA,则R1>330Ω；如果电阻小于这个值，那电流会大于10mA，那输出电压幅度会降低，则会发生畸变。如下图LM2904的输出电压和输出电流的关系，在电流过大时，输出电压的最大摆幅会下降。若这个放大器是非轨对轨输出的，在电流较小时，输出最大的电压只比VCC小1.2V左右，的那个输出电流大于30mA,可看到VCC-VOUT急剧上升，即VOUT急剧下降，输出电压幅度下降。

这个30mA是个典型值，我们真正设计时会考虑温度，器件一致性等，所以计算时用的表中的10mA。用这个值只能得到电阻的下限值，那上限值怎么来估算呢？

接下来来说说误差这个因素

如果反馈电阻过大，输出误差可能会增大，只要有以下原因：

1.电阻本身是有噪声的，阻值越大，噪声越大；

2.电阻过大，增大了偏置电流引起的失调电压；

第一点，一般来说电阻的噪声不能大于运放本身的噪声，因运放的噪声跟成本有关。

先来了解运放的噪声，查LM2904的手册，如下图：

我们要先求电路的带宽噪声，系统带宽是指电路的带宽，上面电路放大两倍之后，LM2804本身的增益带宽积为0.7MHZ，所以系统3DB带宽为0.7M/2=0.35MHZ，这个电路等效于一阶滤波器，带宽还需要乘以相关系数1.57，因此最终的系统带宽为0.35MHZ*1.57=0.55MHZ。

从上面曲线可以看出，系统的带宽噪声电压米度为40nV(HZ)^0.5，也可以去数据表中查：

计算得电路的带宽噪声有效值：

除了带宽噪声，还需要计算1/f噪声，计算过程如下：

电路的宽带噪声为29665nV,而1/f噪声为574nV,可以看到带宽噪声占主导地位，我们继续求得电路的总噪声为29671nV;

这个噪声可以看做运放输入端的噪声电压，也就是说它是可以被放大的。

下面来计算电阻噪声，电阻噪声一般来说是热噪声，热噪声的有效值计算如下：

这个图中，之前计算的B=0.55MHZ，当环境温度为25℃时，根据开尔文计算T=25+237.15=298.15K,前述电阻噪声不能大于运放本身的噪声，如下计算得知：

R<97.2K；这个电阻是R1，R2并联的结果，又因R1=2R2，R=0.33R1，推出R1<295K；

如果电阻取小一些，电阻的噪声也会小些。除此之后电阻过大，会增大偏置电流引起的失调电压，也会增大误差。

偏置电流的影响

我们知道运放的输入阻抗很大，才有虚断的概念，其根本原因是因为外部电阻的电流远远大于运放输入端的偏置电流，所以分析电路的时候可以忽略偏置电流，将流入运放输入端的电流基本看做0；

Ib可以从手册上查到，直接查看LM2904的规格书，可以看到最大的Ib为300nA。

Ib为0时没有Ib引起的误差，但是当Ib不为0时，其造成的输出电压误差就是Ib在反馈电阻R1上的压降。

当Ib为0时，有IR1=IR2，Vout=IR1*R1=IR2*R1,即IR2*R1为无误差时的输出电压；

当Ib不为0时，有IR1=IR2+Ib,Vout=IR1*Ib=（IR2+Ib）*R1=IR2*R1+R1*Ib;相对于Ib为0 输出电压，R1*Ib为多出来的，即为Ib引起的输出电压。

以LM2904来算，若假设输出电压误差小于10mV,则有R1*300nA<10mV；可以求得R1<33.3K;这是对偏置电流的大概估评，除此之外，电阻可能会因放大器的稳定性，特别是在高速运放电路应用上。

这个反馈电阻选型其实跟很多因素有关，比如用什么运放，噪声要求，是否做低功耗等都有关联，我们在实际应用要集合自己的实际经验，然后集合电路仿真等多去动手分析。