放大器的电阻的选择问题

2023-6-8 18:08| 发布者: 开心| 查看: 323| 评论: 0

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摘要: 问题上期之后，有几个兄弟提到了让讲一讲运放周围电阻的选取，典型问题如下：如下图：如果我们把运放当作理想的，那么放大电路的增益就是两个电阻的比值，如果要让增益 ...

    问题
  上期之后，有几个兄弟提到了让讲一讲运放周围电阻的选取，典型问题如下：

如下图：如果我们把运放当作理想的，那么放大电路的增益就是两个电阻的比值，如果要让增益等于2，那么R1和R2分别是2K，1K能达到目的，20K，10K也能达到目的，200K，100K也能达到目的，2Ω，1Ω看着也能达到目的，那么这些阻值都是可以的吗？

  电阻大小影响什么？
  这个问题以前也没有深究过，虽然大抵知道一些影响因素，估计也是一些片面的因素，正好借这个机会专门查一查下面就是查到的一些内容。
  电阻的影响主要有这几个方面：
  1、驱动能力与功耗
  2、误差
  3、稳定性
  放大器驱动能力与功耗
  显然，电阻越小，功耗越高，放大器的输出电流也是越大的。

  如上图的例子，如果R1=2Ω，R2=1Ω，很容算出来，流过反馈电阻的电流是1A，这个电流是从放大器输出来的，显然这个电流太大了，一般的放大器都不会有这么大的驱动能力。
  以TI的通用运放LM2904为例，其输出能力如下图：

我上面举例的电路，运放是往外输出电流的，这个电流叫做拉电流(Source)。如果电流是从输出端往运放里面流，那么就是灌电流（sink）。图中的吸电流应该就是拉电流的意思，我找了对应的英文的手册，里面就是source。

  总之，这个LM2904运放的最大输出拉电流（source）最小值为10mA（典型值为30mA），所以针对上面的电路，显然，输出电压最大时，输出电流最大。如果采用3.3V供电，那么输出电压不会超过3.3V，所以最大输出电流Imax=3.3V/R1330Ω，即反馈电阻R1至少要大于330Ω。
  如果电阻小于这个，那么电流会大于10mA，那么输出电压幅度会降低，也会发生畸变。如下图是LM2904的输出电压与输出电流的关系，在电流过大时，输出的最大摆幅是会下降的。图中纵坐标我理解是“Vcc-Vout”，这个放大器为非轨至轨运放，在电流较小时，输出最大电压只比VCC小1.2V左右，当输出电流大于30mA，可以看到纵坐标“Vcc-Vout”急剧上升，即Vout急剧下降，输出电压幅度降低。

  这里提一下，为什么图中是30mA呢？而我计算用的是10mA？从前面表中看出，30mA是典型值，显然，我们真正设计要考虑温度，器件一致性，所以计数时用的是表中的最小值，即10mA。
  根据运放的驱动能力的限制，我们可以得到反馈电阻的最小值，那么电阻上限值如何得到呢？
  误差
  如果反馈电阻过大，输出误差可能会增大，这里原因我主要想到2点
  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
  关于第一点，一般有一个原则，就是电阻噪声，不能大于运放本身的噪声。因为运放本身的噪声大小与成本相关，如果花了钱选了一个高精密的运放，结果电阻噪声占主导地位，这显然是不合理的。
  所以呢，我们需要计算运放的噪声和电阻的噪声。
  先来看运放的噪声。
  查看LM2904手册，噪声电压密度曲线如下：

  我们要先求电路的带宽噪声，系统带宽这里指的是运放电路的带宽，上面电路放大两倍，LM2904本身的增益带宽积为0.7Mhz，所以系统3dB带宽为：0.7Mhz/2=0.35Mhz。这个电路等效为一阶滤波器，带宽还需要乘以相关的系数1.57，因此，最终系统带宽为：0.35Mhz*1.57=0.55Mhz。
  从上图曲线中可以看出，系统的带宽噪声电压密度为40nV(hz)^0.5，也可以下面数据表中看出：