運(yùn)放電路設(shè)計中無源元件的選擇

以往我們的設(shè)計總是集中在運(yùn)放本身的規(guī)范上,但常常是無源元件會成為系統(tǒng)性能的主要限制。本文將集中討論在集成運(yùn)放電路設(shè)計中,應(yīng)如何正確地選擇無源元件 ,以使運(yùn)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(shù)通用系統(tǒng)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhǔn)或選擇來補(bǔ)償，因而可以把初始增益精度設(shè)置成所要求的任何公差下一個問題是全溫范圍內(nèi)的穩(wěn)定性問題，大多數(shù)用戶會認(rèn)識到電阻的絕對溫度系數(shù)不是很關(guān)鍵的，只要那兩個電阻有匹配的溫度系數(shù)。溫度系數(shù)約為1500ppm/℃ 的碳質(zhì)電阻顯然是不適宜的，即使溫度系數(shù)能夠匹配到€?％（不大可能），15p pm/℃的溫度系數(shù)也是不適宜的。1/2LSB（0.012％）對應(yīng)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(shù)為10到100ppm/℃之間的金屬膜電阻相對較為容易。規(guī)定電阻對溫度系數(shù)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(shù)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(shù)如圖3所示。 由于誤差的3/4出現(xiàn)在超過工作范圍的1/2，這種放大器電路的傳遞函數(shù)不是線性的。為了解決這個問題，在選擇電阻時有五個重點(diǎn)要考慮的問題：1. 嚴(yán)格匹配溫度系數(shù) 2. 低的絕對溫度系數(shù) 3. 低的熱阻（較高的額定功率——較大的外殼） 4. 低的電壓阻尼系數(shù) 5. 匹配電阻的緊密熱耦合（一個封裝——電阻網(wǎng)絡(luò)）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(shù)精密線繞電阻或者是用標(biāo)準(zhǔn)方法，或者是用無感方法繞制的。從感抗最小的觀點(diǎn)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(diǎn)電感（約為20μH），電阻值在10kΩ以上，實(shí)際上會呈現(xiàn)出并聯(lián)電容（5pF左右）。所以需要考察電阻接到導(dǎo)線材料上的端頭，在兩種不同的金屬接合處將 產(chǎn)生熱電動勢，因而在精密電路中可能會出現(xiàn)問題。標(biāo)準(zhǔn)的精密線繞電阻使用的導(dǎo)線材料稱為“Alloy180”（77％的銅，23％的鎳） ，當(dāng)把它接到電阻線上時將產(chǎn)生42μV/℃的熱電勢。如果兩個端點(diǎn)保持在同一溫度下，就不會有靜態(tài)誤差產(chǎn)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(chǎn)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(huán)境的電阻的選擇是很關(guān)鍵的，大兆歐電阻應(yīng)是碳膜或陶瓷淀積氧化物的，以便在低噪聲和高穩(wěn)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?jié)駳獾挠绊憸p至最小。這種電阻必須處理得非常仔細(xì)，以防止表面沾污。各電阻的優(yōu)缺點(diǎn)摘要如表1所示。電容電容器是另一種基本的電子元件，實(shí)際使用時可能是不理想的，因而會損害了電路的性能。 考慮到尺寸和成本，大多數(shù)實(shí)用的、大數(shù)值的電容都是電解型的(等效電路如圖5)，可見，這樣的電容特別適用于濾除低頻噪聲： Z=R_C+jωL_C+1/jωC當(dāng)頻率增加時，電解電容的容抗將降低，直到感抗等于容抗為止，取決于所用的電解電容的確切型號，它可能出現(xiàn)在大約1MHz的頻率處。對于高頻旁路,要求選用不同型號的電容,通常是推薦一種廉價的、小型陶瓷電容（0.01～0.1μF）。在1 MHz處，0.1μF電容的容抗是1.6Ω，但是應(yīng)注意，廉價的陶瓷電容多半不都只是 “容”性的。陶瓷電容有很多功用，優(yōu)良NPO（負(fù)-正-零溫度系數(shù)）器件有±30p pm/℃的溫度系數(shù)，并且相對較便宜。但是陶瓷電容不是靈丹妙藥，取決于用作結(jié)構(gòu)材料的陶瓷介質(zhì)成分,它們有0.1％到1％,甚至更多的介質(zhì)吸收（D.A.）作用。 介質(zhì)吸收其實(shí)就是，當(dāng)快速充電和放電時，吸入到介質(zhì)內(nèi)的電荷不能馬上加到電容上或從電容上離開(如圖6所示)。這種效應(yīng)在有很多通道的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中是有害的。在轉(zhuǎn)換以前，這些通道里都有由采樣-保持電路采集的各種各樣的數(shù)據(jù)，在 最大階躍的最壞情形中，由保持電容的介質(zhì)吸收引起的誤差，等于介質(zhì)吸收能力 。由于正在測量的電壓和以前測量的電壓之間的差值決定了介質(zhì)吸收指數(shù)所要乘的系數(shù)，所以對這個誤差源做快速校正是不可能的。唯一的解決辦法是使用一個介質(zhì)吸收低于最大可允許誤差的電容器。電容選擇可參照表2的電容型號表。