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範上,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於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輸入範圍的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。 
     下一個問題是全溫範圍內的穩定性問題，大多數用戶會認識到電阻的絕對溫度係數不是很關鍵的，只要那兩個電阻有匹配的溫度係數。溫度係數約為1500ppm/℃ 的碳質電阻顯然是不適宜的，即使溫度係數能夠匹配到€?％（不大可能），15p pm/℃的溫度係數也是不適宜的。1/2LSB（0.012％）對應於120ppm，施加於這兩個電阻上的8℃溫度變化而引起的增益漂移如圖2所示。

    購買絕對溫度係數為10到100ppm/℃之間的金屬膜電阻相對較為容易。規定電阻對溫度係數跟蹤到2～10ppm/℃也是頗為平常的，例如，假定我們購買了絕對溫度係數為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。
  
 
     由於誤差的3/4出現在超過工作範圍的1/2，這种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：

1.  嚴格匹配溫度係數
2.  低的絕對溫度係數
3.  低的熱阻（較高的額定功率——較大的外殼）
4.  低的電壓阻尼係數
5.  匹配電阻的緊密熱耦合（一個封裝——電阻網路）

    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，後者是可取的。這類電阻對於阻值低於10kΩ的情形，仍然有一點電感（約為20μH），電阻值在10kΩ以上，實際上會呈現出並聯電容（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，由於電阻的耗散功率（由信號電壓引起的），熱量會上升，併產生一個誤差電壓。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/℃，所以對於精密電路來講這是一個很值得的選擇。
 
    用於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澱積氧化物的，以便在低雜訊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。
 

電容
    電容器是另一種基本的電子元件，實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，大多數實用的、大數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於濾除低頻雜訊： Z=RC+jωLC+1/jωC
 
    當頻率增加時，電解電容的容抗將降低，直到感抗等於容抗為止，取決於所用的電解電容的確切型號，它可能出現在大約1MHz的頻率處。對於高頻旁路,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，優良NPO（負-正-零溫度係數）器件有±30p pm/℃的溫度係數，並且相對較便宜。但是陶瓷電容不是靈丹妙藥，取決於用作結構材料的陶瓷介質成分,它們有0.1％到1％,甚至更多的介質吸收（D.A.）作用。  
    介質吸收其實就是，當快速充電和放電時，吸入到介質內的電荷不能馬上加到電容上或從電容上離開(如圖6所示)。這種效應在有很多通道的數據收集系統中是有害的。在轉換以前，這些通道里都有由採樣-保持電路採集的各種各樣的數據，在 最大階躍的最壞情形中，由保持電容的介質吸收引起的誤差，等於介質吸收能力 。由於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吸收指數所要乘的係數，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吸收低於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。