為什么說(shuō)運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端應(yīng)該放上相等的阻抗

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曾幾何時(shí)，老師對(duì)我說(shuō)——（運(yùn)算放大器）的兩個(gè)輸入端應(yīng)該放上相等的阻抗?？蛇@條經(jīng)驗(yàn)法則從何而來(lái)？我們又是否應(yīng)該遵循它？。。。種種疑問(wèn)，答案盡在此處，拿走不謝！

師說(shuō)“運(yùn)放史”

相傳，在741運(yùn)算放大器1橫行天下那個(gè)年代，正值平衡運(yùn)算放大器輸入端電阻觀念風(fēng)靡之際。然而隨著時(shí)間的流逝，不同電路技術(shù)和IC工藝的興起打破了它的神話，從此煙消云散。事實(shí)上，它的觀念確實(shí)也可能會(huì)引起更大的直流誤差和更多的噪聲，從而導(dǎo)致電路變得更加不穩(wěn)定！可是我們?yōu)槭裁丛谝郧耙x擇它，而現(xiàn)在這樣做就會(huì)出問(wèn)題呢？

在二十世紀(jì)60年代和70年代，第一代運(yùn)算放大器采用的是普通雙極性工藝制造。當(dāng)時(shí)為了獲得合理的速度，因此差分對(duì)（電流）源電流一般控制在10μA到20μA范圍內(nèi)；β值為40到70，所以輸入偏置電流也大概在1μA左右。然而，那時(shí)的（晶體管）匹配度確實(shí)還不太高，所以輸入偏置電流無(wú)法做到完全相等，而這個(gè)限制導(dǎo)致了輸入偏置電流之間存在10%到20%的偏差（也被稱為"輸入失調(diào)電流"）。

圖1.

經(jīng)典反相（放大器）

而如果我們?cè)谕嘟拥剌斎攵嗽黾右粋€(gè)與輸入電阻R1和反饋電阻R2的并聯(lián)組合相等的電阻（圖1中的R3），那么就可以使阻抗相等。做一些計(jì)算可以證明——誤差降至Ioffset×（Rf）eedback，由于Ioffset為Ibias的10%到20%，所以這會(huì)有助于降低輸出失調(diào)誤差。

直流誤差

為了降低雙極性運(yùn)算放大器的輸入偏置電流，許多運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)都集成了輸入偏置電流的消除功能，OP07就是這樣的一個(gè)例子。輸入偏置電流消除功能的增強(qiáng)可以使偏置電流大大降低，但輸入失調(diào)電流可能是剩余偏置電流的50%到100%，所以這個(gè)時(shí)候增加的電阻作用就會(huì)顯得非常有限。而且在某些情況下，增加電阻反而可能導(dǎo)致輸出誤差提高。

噪聲

電阻熱噪聲的計(jì)算公式為√4kTRB，所以1kΩ電阻會(huì)存在4nV/√Hz的噪聲，增加電阻也會(huì)增加噪聲。在圖2中，出人意料的是，雖然909Ω補(bǔ)償電阻是最低值的電阻，但由于從該節(jié)點(diǎn)到輸出端的噪聲增益，它給圖2輸出端貢獻(xiàn)的噪聲反而最多。其中R1引起的輸出噪聲為40nV/√Hz，R2為12.6nV/√Hz，R3為42nV/√Hz。因此，請(qǐng)勿使用電阻。另一方面，如果運(yùn)算放大器采用雙（電源）供電，并且一個(gè)電源先于另一個(gè)電源上電，那么（ESD）（網(wǎng)絡(luò)）就很可能會(huì)發(fā)生閂鎖問(wèn)題。這種情況下，可能希望增加一定的電阻來(lái)保護(hù)器件。但若使用的話，則應(yīng)在電阻上放置一個(gè)旁路（電容）以減少電阻的噪聲貢獻(xiàn)。

圖2.噪聲分析

穩(wěn)定性

所有運(yùn)算放大器都有一定的輸入電容，包括差分和共模。如果運(yùn)算放大器連接為跟隨器，并且在反饋路徑中放入一個(gè)電阻以平衡阻抗，那么系統(tǒng)可能就比較容易發(fā)生振蕩。原因是大反饋電阻、運(yùn)算放大器的輸入電容和PC板上的雜散電容會(huì)形成一個(gè)RC低通（濾波器）(LPF)。此濾波器會(huì)引起相移，并降低閉環(huán)系統(tǒng)的相位裕量。如果降低得太多，運(yùn)算放大器就會(huì)振蕩。

圖3.您所見(jiàn)

一位客戶在一個(gè)1HzSallen-Key低通濾波器電路中使用（AD）8628CMOS運(yùn)算放大器，由于它的轉(zhuǎn)折頻率比較低，電阻和電容相當(dāng)大（參見(jiàn)圖3）。輸入電阻為470kΩ，所以客戶在反饋路徑中放入一個(gè)470kΩ電阻。此電阻與8pF的輸入電容（參見(jiàn)圖4）一起提供一個(gè)42kHz極點(diǎn)。AD8628的增益帶寬積為2MHz，因此它在42kHz仍有大量增益，且發(fā)生軌到軌振蕩。而如果把470kΩ電阻換成0Ω跳線，那就可以解決問(wèn)題了。

圖4.（電子）所見(jiàn)

因此，在反饋路徑中應(yīng)避免使用大電阻。這里，何者為大取決于運(yùn)算放大器的增益帶寬。對(duì)于高頻運(yùn)算放大器，例如增益帶寬超過(guò)400MHz的ADA4817-1，1kΩ反饋電阻就稱得上是大電阻了。

經(jīng)驗(yàn)法則，來(lái)源于多年來(lái)的實(shí)踐結(jié)論。想知道其是否仍然適用最好的做法，是在審核設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)檢視這些規(guī)則是否符合條件。關(guān)于本文中提到的是否需