運放電路設計中無源元件的選擇

以往我們的設計總是集中在運放本身的規范上,但常常是無源元件會成為系統性能的主
要限制。本文將集中討論在集成運放電路設計中,應如何正確地選擇無源元件 ,以使運放電路
獲得較高的性能。

電阻
最基本的電路元件是電阻，在電路中（不閉合的），電阻的特性是由歐姆定律V=IR 來描述
的。目前的大多數通用系統都是基于12 位精度和特性的，這就要求能精確地定義212 =4096
個不同的電平，為了保證每個電平的唯一確定，必須使這些量中的每一個都精確到±
1/2LSB。這就意味著在很多應用中，即使精確到±0.012％ 的誤差和漂移，也能使性能降低
到不能接受的程度。
例如，如果我們希望把一個0 到100mV 的信號放大100 倍，用來供給一個具有0 到10 V 輸
入范圍的12 位A/D 轉換器來變換，可以使用圖1 電路。

電阻的初始公差可以通過校準或選擇來補償，因而可以把初始增益精度設置成所要求的任何
公差。
下一個問題是全溫范圍內的穩定性問題，大多數用戶會認識到電阻的絕對溫度系數不是很關
鍵的，只要那兩個電阻有匹配的溫度系數。溫度系數約為1500ppm/℃ 的碳質電阻顯然是不
適宜的，即使溫度系數能夠匹配到（不大可能），15p pm/℃的溫度系數也是不適宜的。
1/2LSB（0.012％）對應于120ppm，施加于這兩個電阻上的8℃溫度變化而引起的增益漂移
如圖2 所示。

購買絕對溫度系數為10 到100ppm/℃之間的金屬膜電阻相對較為容易。規定電阻對溫度系
數跟蹤到2～10ppm/℃也是頗為平常的，例如，假定我們購買了絕對溫度系數為50ppm/℃
完全匹配的RN55C 電阻，問題能解決嗎?

這個影響甚至不是線性的，在一半幅度的情況下：

放大器電路的傳遞函數如圖3 所示。

由于誤差的3/4 出現在超過工作范圍的1/2，這種放大器電路的傳遞函數不是線性的。為了
解決這個問題，在選擇電阻時有五個重點要考慮的問題：
嚴格匹配溫度系數
低的絕對溫度系數
低的熱阻（較高的額定功率——較大的外殼）
低的電壓阻尼系數
匹配電阻的緊密熱耦合（一個封裝——電阻網絡）

線繞電阻常被用在精密電路中，如果不能充分了解它們，這些電阻可能引起顯著的誤差。大
多數精密線繞電阻或者是用標準方法，或者是用無感方法繞制的。從感抗最小的觀點來看，
后者是可取的。這類電阻對于阻值低于10kΩ的情形，仍然有一點電感（約為20μH），電
阻值在10kΩ以上，實際上會呈現出并聯電容（5pF 左右）。所以需要考察電阻接到導線材
料上的端頭，在兩種不同的金屬接合處將產生熱電動勢，因而在精密電路中可能會出現問題。
標準的精密線繞電阻使用的導線材料稱為“Alloy180”（77％的銅，23％的鎳） ，當把它接
到電阻線上時將產生42μV/℃的熱電勢。如果兩個端點保持在同一溫度下，就不會有靜態
誤差產生。但是如果電阻垂直安裝，電阻的頂端和底端就不大可能處在同樣的溫度下，由于
電阻的耗散功率（由信號電壓引起的），熱量會上升，并產生一個誤差電壓。鍍錫的銅引線
（通常是專用工藝得到的），能把熱電勢降到2.5μV/℃，所以對于精密電路來講這是一個很
值得的選擇。

用于高阻抗環境的電阻的選擇是很關鍵的，大兆歐電阻應是碳膜或陶瓷淀積氧化物的，以便在低噪聲和高穩定性方面獲得最好的性能。大兆歐電阻的最好封裝是用硅樹脂漆噴射的玻璃體，以便使濕氣的影響減至最小。這種電阻必須處理得非常仔細，以防止表面沾污。各電阻的優缺點摘要如表1 所示。