电阻器准确度对运算放大电路的影响

编号编号 电阻器准确度对运算放大电路的电阻器准确度对运算放大电路的 影响影响 学生姓名 学 号 系 部 物理系 专 业 年 级 2008 级 指导教师 完成日期 年 5 月 10 日 1 摘要 为减少运算放大电路输出误差 除选用共模抑制比CMRR大的运算放大器 外 还要保证电阻值的准确度 本文以差分放大电路为例 讨论差分放大电 路放大信号时 在选择共模抑制比高的集成运放的情况下 为了使输出误差尽 可能小 就要保证电阻元件有较高的精度 并通过具体计算来说明电阻精度对 差分放大电路误差的影响 提出了对运算放大器电路来说尽量要用准确度高 的电阻器的建议 关键词 关键词 运算放大器电路 差分放大电路 电阻准确度 共模抑制比 输出误差 2 目 录 摘要摘要 1 引言引言 1 1 1 集成运算放大电路集成运算放大电路 1 1 1 集成电路概述 1 1 2 集成运放的技术指标 2 1 2 理想运放的概念 4 2 2 差分放大电路分析差分放大电路分析 5 3 3 参数与输出误差的计算方法参数与输出误差的计算方法 6 4 4 结论结论 9 参考文献参考文献 10 1 引言 差分放大电路的最大特征就是放大差模信号 抑制共模信号 他除了可作为 减法运算单元外 也广泛应用于自动检测仪器中和音频放大电路中 由于电路存 在共模电压 必须选用共模抑制比较高的集成运放 才能保证一定的运算精度 但是即使采用了共模抑制比很高的集成运放 在小信号放大的时候 输出还是有 很大的误差 引起误差的原因之一就是电阻的不平衡性 国家标准规定了电阻 的阻值按其精度分为两大系列 分别为E224 系列 精度为5 和E296 系列 精 度为1 另外还有高精度 比如0 1 0 05 的电阻 1 1 集成运算放大电路集成运算放大电路 1 11 1 集成电路概述集成电路概述 集成运算放大器 实质上就是一个完整的多级直接耦合放大电路 利用半导 集成工艺把整个电路的管子 电阻 电容 连线等都制作在一块硅片上 引出 若干个引出端 如电路的输入端 输出端 正负电源端等 再加以封装 当做一 个器件来使用 这就集成运算放大器 输 入 级 中 间 级 输 出 级 偏置电路 v v N P vO 图一集成运放内部框图 2 它是由三级放大电路和一个偏置电路组成 输入级的作用是提供与输出端同向和反向的两个输入端 并应有较高的输 入电阻和一定的放大倍数 同时还要尽量减小温漂 故多采用差动放大电路 中间级的作用主要是提供足够高的电压放大倍数 常用基本共射放大电路 为了进一步提高电压放大倍数 多采用有源负载和复合管放大 输出级的作用是为负载提供一定幅度的信号电压和信号电流 并应具有一 定的过载保护功能 输出级一般采用输出电阻很低的射极输出器或由射极输出 器组成的互补对称输出电路 偏置电路的作用则是为各级提供所需的稳定的静 态工作电流 集成运算放大器 简称集成运放或运放 在电子电路中应用非常广泛 从电路 结构来说 集成运放是一个差动输入 单端输出的直接耦合放大器 其典型框 架如图 1 所示 用集成运放构成的交流放大电路具有线路简单 免调试 故障 率低等优点 如今许多电子产品中的交流放大电路普遍采用运放构成 全面分 析集成运放构成的各种交流放大电路的组成和参数计算 有助于对该类电路的 检修 以及合理设计和使用集成运放构成的交流放大电路 1 21 2 集成运放的技术指标集成运放的技术指标 集成运放在应用及选取时都应针对集成运放的性能参数进行 运放的参数 较多 这里介绍主要的技术指标 一 开环差模电压增益 vd A 运放在没有外部反馈作用时的差模直流电压增益称为开环差模电压增益 它是决定运放电路运算精度的重要因素 定义为运放开环时的输出电压与差模 输入电压之比 即 od vd id u A u 亦可用分贝表示为 20lg20lg od vd id u A u 3 对于集成运放而言 希望大 且稳定 目前高增益集成运放的可高 vd A vd A 达 140dB 二 输入失调电压 IO U 对于理想集成运算放大器 在不加调零电位器的情况下 当输入电压为零 时 输出电压也为零 但实际上由于制造工艺等多方面原因 它的差动输入级 很难做到完全对称 故当输入为零时 输出并不为零 规定在 25 室温及规定 电源电压下 在输入端加补偿电压 使输出电压为零 此时的补偿电压就是输 入失调电压 越小 集成运算放大器的质量越好 一般为 1 10 IO U IO U mV 三 输入失调电流 IO I 当输入信号为零时 输入级两个差动管静态基极电流的之差称为输入失调 电流 是反映集成运算放大器输入级两个差动管输入电流对称的参数 IO I IO I 越小 其质量越好 一般小于 IO I1 A 四 输入偏置电流 IB I 输入偏置电流 当输入信号为零时 输入级两个差动管静态基极电流的 IB I 平均值称为输入偏置电流 的大小主要和输入级差动对管的有关 显然 IB I IB I 它是衡量差分对管输入电流绝对值大小的标志 当常温下 27 输入信号为 零且零输出时 用两个输入端的基极偏置电流平均值来表示 太大 不仅在 IB I 不同信号内阻的情况下 对静态工作点有较大影响 而且会影响温漂和运算精 度 一般在 10nA 1A 范围内 小 表明输入失调电流小 放大器的输入 IB I IB I 电阻高 五 共模抑制比 CMRR K 它的定义前面已做过介绍 它是衡量输入级各参数对称成度的标志 运算 4 放大器在同相端输入信号时 共模抑制比对运算精度有较大影响 通常约 CMRR K 为 70 100 分贝 高质量的可达 160 分贝 六 差模输入电阻和输出电阻 id r 0 r 差模输入电阻是指开环情况下 输入差模信号时集成运算放大器的输入 id r 电阻 也就是通常所说的输入电阻 用以衡量集成运算放大器向信号源索 i r id r 取电流的大小 显然 越大越好 一般为几兆欧 以场效应晶体管作为输 id r id r 入级的集成运算放大器的可达 id r 6 10 M 输出电阻是指开环时集成运算放大器的输出电阻 越小越好一般为 0 r 0 r 0 r 几十到几百欧 七 最大差模输入电压 maxid u 它是指反相端和同相端之间所能承受的最大电压值 超过这个电压 输入 级差分对管中的一个年兆将会出现反相击穿电压的现象 平面工艺制成的硅 NPN 管 其值在 5V 左右 横向 PNP 管的可达 30V 以上 maxid u 八 最大共模输入电压 maxic u 集成运放在工作时 常遇到既有差模输入又有共模输入的情况 如果共模 电压超过一定限度 将会使输入级工作不正常 因此要加以限制 除以上的技术指标外 还有一些参数 如单位增益带宽 转换速率 电源 电压抑制比 最大输出幅度 静态功耗 输出电阻 额定输出电 maxid u v p 0 r 流 延长时间等等 这里不作一一介绍 0 I s t 1 31 3 理想运放的概念理想运放的概念 所谓理想运算放大器就是将集成运放的各项技术指标理想化 具体来说 5 u u 0 u u u 0 u 图 2 集成运放图形符号 1 开环电压放大倍数 od A 2 输入电阻 id r 3 输入偏置电流 0 21 BB II 4 输出电阻 0 o r 5 共模抑制比 CMRR K 无干扰的噪声 等等 理想运算 放大器的电路符号表示如图 2 所示 由于实际运放与理想运放比较接近 因此在分析电路的工作原理时 用理 想运放代替实际运放所带来的误差不 并不严重 这在一般工程计算中是允 许的 但若需要对运算结果专门进行 误差分析 则必须考虑实际的运放 因为运算精度直接与实际运放的技术指标有关 本章讨论的各种应用电路中 除特别注明者外 都将集成运放作为理想运算放大器来考虑 2 2 差分放大电路分析差分放大电路分析 差分减法运算电路为 如图3所示图中正相输入 与反相输入相结合 在 理想运放的情况下 有 就是说电路中存 在虚短现象 伴随 也有由0 I 0 I i 此可得下列方程式 1i u 2i u 1 i f i 1 R 2 R 3 R f R 0 u 1i u 2i u 1 i f i 1 R 2 R 3 R f R 0 u 图 3 差分减法运算电路 6 1 10 1 i f uuuu RR 2 2 23 i uuu RR 故有 3 1 3 021 1231 ff ii RRR R uuu RRRR 若选作满足关系的电阻器 关系式 3 简化为 3 12 f R R RR 4 021 1 f ii R uuu R 即全电路的差模电压放大倍数为 3 12 f vD R R A RR 所以 这种减法运算放大器实际上是一个差模信号放大器 因此减法器除了选 用减法部分多用在测量仪器 所以对准确度的要求很高 根据参考资料 3 放 大电路的共模放大倍数为 5 1 3 1123 ff vC RRR R A RRRR 共模抑制比为 vD CMRR vC A K A 3 3 参数与输出误差的计算方法参数与输出误差的计算方法 下面我们令 123 10 150 f RRKRRK 20 500 idic umVumV 7 对于 01 和 005 型等四种型号的电阻器 计算放大电路的 和等参数与输出信号和输出误差 vDvC AA CMRR K 0 1 首先计算电阻值为标准 理想 的情况 1 1 3 1123 01 150 15 10101010150 0 15 0 15 200 300 f vD ff vC vD CMRR vC vDidvCic R K A RK RRR R A RRRR KKKK KKKK A K A K uAAu mV mV 2 电阻器为 型 或 E12 误差为 10 的情况 8 1 2 3 1 1 3 1123 10101011 101010915015010135 135 12 3 1111119165 f f vD ff vC Rkk Rkk Rkk Rkk R K A RK RRR R A RRRR KKKK KKKK 02 0 32 12 3 0 32 38 4 12 3 200 32 500 86 300 86 214 CMRR K umVmV mV umVmV mV 同理 可以计算电阻器当 01 和 005 型时的有关参量与输出误差 计算 结果如下表 1 表 1 输出电压与误差随电阻误差的变化 输出 20 500 0 mV id mV 电阻值 K 参量 输出电压和误 差 mV 电阻器 型号与 电阻值 误差 R1R2R3Rf AVD ACDKCMRU0 U0 标准 1010150150 150 300 10 119165135 12 30 3238 4 86 214 9 5 10 59 5157 5142 5 13 60 17378 6 185 5 114 5 011 10 19 9151 5148 5 14 70 04367 5 274 16 0050 5 10 059 95150 75149 25 14 850 0186798 287 7 12 3 当然 上面计算中本着为最严重的情况 即电阻和的值在其误差范围内变大 而 1 R 3 R 电阻和的值在其误差范围内变小 2 R f R 4 4 结论结论 通过以上的具体计算分析 可以知道 电阻值误差的变小对共模放大倍数的 影响不大 而对差模放大倍数和共模印制比的影响较大 也就是说纯输出电压 变大 则输出误差变小 这样输出误差就会减小 电阻精度越高 输出越接近理 性情况 故应尽量选择精度高的电阻 保持电阻的平衡 所以 处理运算和测量仪器中的这个电路部分的电阻尽量用准确度高的电 阻器 准确度越高越好 可是制作准确度高的电阻器的程序复杂 对材料的要 求也高 而且价格也高 平常按电路的要求可选用误差小于 1 的电阻器 再 要提示的是电路中的有些电阻 例如 稳压偏阻 的误差不必考虑 可是对于 运算放大器来说 电阻器的误差引起的输出误差应该考虑的 换句话说 多数 有关资料指出的 为了保证运算放大器的输出信号的准确 选用的运算放大器 为理想 或接近理想 是不足的 10 参考文献参考文献 1 秦曾煌 电工学 电子技术 第六版 下册 M 北京 高等教育出版 社 2004 7 2 张华 由于电阻精度引起差分放大电路的