运算放大器电路的电阻器尺寸考虑因素?

电器工程 运算放大器 电路板 电阻器
2022-01-10 02:03:06

对于基本的运算放大器电路,增益由输入与反馈电阻的比率决定,计算起来很简单,但我怎么知道要使用什么实际值呢?例如,对于增益为 -10 的反相放大器,我可以做 1ohm 和 10ohm,或者我可以做 10Mohm 和 100Mohm,两者都给出 -10 增益,但我假设在各种应用中表现不同。

所以我的问题是,在选择电阻值时应该考虑哪些因素?这是我的一些假设,请纠正其中的任何错误;

  • 更高的电阻意味着更高的输入阻抗和更低的电路能耗。
  • 较低的阻力意味着对外部干扰的抵抗力更强。
  • 更高的电阻意味着需要更多地考虑 PCB 设计特性,例如走线电感和接收来自电源线的干扰。
  • 较低的电阻意味着需要更多地考虑 PCB 设计特性,例如走线厚度和对信号线的干扰。我确信在这方面有很好的指南,但我真的不知道要查找什么来找到一些,所以如果有人对我可以查看的资源有任何建议,那就太棒了。

我基本上是在寻找电阻器尺寸的良好设计原则,特别是在这种情况下用于运算放大器电路,但也只是一般情况下。任何好的经验法则或资源将不胜感激。

我不是在寻找“对此合理”或“在不知道原因的情况下从类似电路中复制值”。我正在寻找“如果您的输入信号较弱且在低 MHz 范围内,请使用 100Ks 范围内的电阻”或“如果输出需要驱动 100m 长电缆,请使用 1Ks 范围”。它们是经验丰富的设计师直观地了解并用于指导他们设计的指南类型。

4个回答

这是初学者提出的一个很好的问题。你正在考虑好的话题。正如其他地方所提到的,当信号路径中有一位数或两位数的低电阻值时,您必须考虑需要来自运算放大器的大量输出功率来提供反馈(甚至是有意义的信号)的非常低的电阻和反馈回路。

在另一个极端,非常高的值(数兆欧)意味着如果 JFET 输入或 BJT 输入可能需要一些时间来为电容充电,您可能会遇到非常大的输入偏移问题。

一般来说,我将每个阶段的输入电阻保持在 10k 到 100k 的范围内,将反馈电阻保持在 10k 到 1M 的范围内。同样,这是“一般”。

如果您有一个分压器网络控制输入的直流偏移,“低值”输入和反馈电阻器可能会干扰您的分压器网络。因此,低价值是一个相对术语,您的里程可能会有所不同。

请记住,较低的值适用于更快的电路,较高的值适用于低功耗。精度在两个极端都会受到影响 - 输入和反馈中的高阻值电阻器可以被输入失调电流放大,而低阻值会干扰任何 DC 失调电压分压器网络。

  • 更高的电阻意味着更高的输入阻抗和更低的电路能耗。

是的,在反相放大器中使用高电阻有助于提高输入阻抗同相放大器可以使用低阻值电阻,并且仍然具有高输入阻抗。例如,仪表放大器可能在其输入端使用同相级。

  • 较低的阻力意味着对外部干扰的抵抗力更强。

可能,干扰是局部电场。
假设您的输入受到接地回路的困扰(常见问题)。低电阻有时可能意味着长输入电缆上的更多地线噪声将出现在低值输入电阻上。
有时可以在接地路径中添加一个串联电阻器以降低噪声电流,并且还可以使这些电流主要导致该电阻器上的电压降。然后可以将该电压与输入信号区分开来。

使用过低的电阻器会使导线电阻和印刷电路电阻变得更加重要。在放大器输出电流较高的情况下,一些输出电流会回到放大器输入端:可能会导致振荡,或在某个频率处产生峰值。低阻值电阻器应该让您非常小心地设计接地路径。

  • 更高的电阻意味着需要更多地考虑 PCB 设计特性,例如走线电感和接收来自电源线的干扰。

好的 - 电源线是高压(通常包括高频垃圾),可以将电场耦合到高阻抗放大器中。作为耦合机制,电容比电感更重要。来自回路电流的电感在低电阻电路中更成问题。


在微小的输入信号可能被放大器噪声污染的情况下,什么被认为是低电阻?查看放大器的电压噪声并与电流噪声进行比较。

例如,随机选择的低噪声运算放大器声称电压噪声为\${5.5 nV}\over{\sqrt{Hz}}\$,电流噪声为\${1.5 fA}\over{\sqrt{Hz} }\$

  • 此运算放大器周围的电阻高于 3.6Meg 往往会使电流噪声源占主导地位
  • 该运算放大器周围的电阻低于 3.6Meg 往往会使电压噪声源占主导地位。

我会在跨阻放大器中使用这个 CMOS 运算放大器,其中光电二极管提供微小的输入电流,反馈电阻器是一个大值(以提供高增益)。具有双极输入晶体管而非 CMOS 输入晶体管的运算放大器可能具有过多的电流噪声。


为了自我保护,运算放大器可能会将其输出电流限制在十毫安。假设它由 +/- 15V 直流电源供电。运算放大器不仅必须驱动负载电阻(有电流),而且还必须驱动反馈电阻。低于 1500 欧姆的反馈电阻可能会触发运算放大器的内部限流器。并且会升高芯片温度,引起漂移。

例如,对于增益为 -10 的反相放大器,我可以做 1 ohm 和 10 ohm

对于反相运算放大器放大器,在反相端有一个虚拟接地。由于负反馈过程,这看起来像接地(与非反相输入上的电压相同)。如果你不明白这一点,那么我鼓励你学习它。

这意味着反馈电阻可以被视为连接在输出和虚拟地之间。因此,如果您想要一个 1 伏的输出信号,并且反馈电阻为 1 Ω,它将迫使 100 mA 的电流进入虚拟接地,以保持该虚拟接地接近非反相输入上的电压电平(通常为 0 伏)。

你想浪费这么多的电流吗?运算放大器能提供这么大的电流吗?在 99% 的运算放大器电路中,答案几乎肯定是“否”。

出于几乎相同的原因,您是否希望反相运算放大器电路的输入阻抗为 1 Ω,因为这是虚拟接地提供给您的。

或者我可以做 10 Mohm 和 100 Mohm

输入泄漏电流(大约 1 nA)会产生 10 mV 的电压偏移误差,该误差将乘以增益,从而产生 -100 mV 的输出误差。你希望这种情况发生吗?

显然,有些运算放大器的泄漏电流要低得多,但它们的价格标签反映了这种优势。

此外,如果 100 MΩ 反馈电容器上的寄生电容可能为 1 pF,则输出截止频率将为 1.59 kHz。您难道不希望许多运算放大器应用程序能够为高达数 MHz 的带宽提供服务,更不用说音频了?使用 100 MΩ 反馈电阻器会怎样呢?

需要注意的一件事是它取决于频率。组件互连(电路迹线、电缆等)往往具有约 100 Ω 的特性阻抗。低于特性阻抗,电感寄生效应会限制您的频率响应。在它之上,电容寄生占主导地位。如果您查看示例电路,当您查看更高频率/更宽带宽的电路时,阻抗(以及电阻值)通常接近 50 或 100 Ω。

如果您想节省电力,则较高的频率有利于较低电压的电路,而不是较高的电阻。由于噪声电压随着电阻的下降而下降,因此(理论上)信噪比不会因阻抗和电压的成比例降低而受到影响。然而,“上帝在细节中”。