运放中接电阻的作用

一： 基本概念

运放的基本组成--运算放大器的内部电路结构如下所示。一般由输入段、增益段、输出段等3段电路构成。

输入段由差分放大段构成，用于放大两个引脚间的电压差。 另外，同相信号成分（引脚间无电位差，输入相等电压的状态）不放大，起抵消作用。

若仅靠该差分放大电路，则增益不足，因此使用增益段进一步增加运算放大器的开放增益。

普通运算放大器的增益段间连接了防振相位补偿电容C。

运放使用中，负载引起的输出特性的变化（失真、电压下降等）主要由输出段的电路结构和电流能力决定。

一般输出段的种类有A类、B类、C类、AB类输出电路，这是根据输出电路中流动的驱动电流量（偏压的差别）进行分类的。根据驱动电流量的不同，输出段发生的失真系数水平会发生变化。

一般电路失真的顺序从小到大依次为A类、AB类、B类、C类。

******理想运放******

1.高共模抑制比 2,高输入阻抗，一般是在高阻抗的信号源中使用 3，低输出阻抗，配合低阻抗的负载输出大的信号电流 3，理论增益无穷大

二： 知识解析

问题？为什么运放输入端需接入平衡电阻

思路：失调/偏置电流->失调电压->阻抗匹配

(1)失调电流偏置电流的来源?

运放通常由是双极结型晶体管(BJT)运放型和场效应管(FET)型组成，由于三极管是依靠电流驱动的器件Ib固定存在，Ib不可避免，FET为电压驱动型号，具有很高的输入阻抗理论上Ib可以忽略，但是很多运放输入端内部内置有二级管且存在Cbs，Cds等寄生电容，为了维持静态偏置点的平衡，在运放运行期间漏电流产生不可避免。二者产生的漏电流统称为漏电流IB。

输入失调电流(IB+ - IB-) ，

输入偏置电流 (IB+ + IB-) /2

(2)失调电压：运放的失调电压产生于运放的输入两个管子不匹配造成，理论上两个输入管子的匹配度和管子的有效面积成正比，工艺限制，所以输入失调电压无法避免。运放常用VCC/2 作为参考电压 是因为该运放处在单电源工作状态下，在此时运放真正的参考是VCC/2，故常在运放正端提供一个VCC/2 的直流偏置，在正负双电源供电时还是常以地为参考的

上述（1）（2）都是运放的直流影响量

上图我们看到由于输入端偏置电流最终在输出端引起的RMatch = RG||RF,这样就消除了偏置电流产生的影响。输入失调电压近似等于

在没有严格匹配外部电阻的情况下，输出失调电压的估算可以根据下式进行。

下图为一般运放内部的等效电路

参考资源：运放内部结构 (360doc.com)

二：常见应用

2.1 为什么跟随器中使用相同的R1和R2电阻？

常见的运算放大器有COMS型和FET型，CMOS型运放有很小的输入偏置电流，但是CMOS的特性导致设计时候需要在栅极增加防护电路二极管结，防护电路是CMOS运放的主要偏置电流来源。FET是电流驱动，偏置电流主要取决于运放的内部设计。区分二者主要可以看偏置电流的正负。带正负是CMOS型运放，不带正负则是FET型。

随着发展很多运放已经可以做到IB（偏置电流）和IOS（失调电流）非常接近，当IB 》IOS时，可以通过补偿电阻降低输入IB引起的输入误差，但是当IOS和IB非常接近，增加电阻反而增加了误差。

输入偏置电流消除电阻器。 输入端接同大小的电阻是进行输入阻抗匹配，防止偏置电流引起的总失调电压，两个相同的电阻会形成大小相等，方向相反的失调电压（前提是偏置电流的流向相反，理论无法确定，实际应用中发现采用同样的电阻指标满足，我们暂且默认是相反的），减少输入偏置电流引起的失调电压。当U = I*R当反馈端电阻很小时候，匹配电阻的必要性就需要衡量。

对失调电压的要求根据不同的电路要求不同，一般精密测量电路都尽量做到平衡电路，交流音频电路则不需要进行平衡。

2.2 为什么反向放大器R1接电阻不直接接地？

那要根据你的运放类型决定了。如果运放内部使用了互补电流源进行补偿过的，就不能使用电阻R1接地，因为这种类型的运放输入端的电流极性是不确定的，偏置电流大小也是不确定的，使用电阻接地反而加大误差。通过查看数据手册中偏置电流的是否为正负。

上如图正负表示偏置电流可以在任意方向流动。上述LTC2051的输入偏置电流和失调电流基本一致。差距不大可见此运放内部可能自带偏置电流消除功能。

第二需考虑加入电阻的必要性，假如电路设计对输出失调电压的要求是2mV，偏置电流为40nA,那么加入电阻后引起的输出失调电压就是。设置R为10K.则10K*40nA = 400uV ,可见接电阻和不接电阻对系统的影响不大，可以放弃。所以首先需将输入失调电压和偏置电流的影响做比较，然后决定是否添加电阻进行平衡。而且加入电阻后电阻引起的热噪声和阻抗引起的外部干扰都是不可预估的。一般设计者建议预留这些调节点，后期产品调试灵活性会很高。

同向接地电阻只对双极性运放有作用，对于MOS型运放无作用。但是在高频下必须使用R1。

参考学习：运放输入端所接电阻要平衡 - 百度文库 (baidu.com)

深度负反馈：

R1 = R2//R3

2.3为什么运放输出端接电阻且阻值不同

原因有二吧：运放在运行中有时候不是完美的阻尼响应时候，反馈信号可以很好的调节运放电路；如果电路设计中运放的反馈延时严重，反馈端示波器测量有明显的过冲，振铃，信号反馈就需要经过多个极点才能稳定。如果反馈延时过大可能输出持续震荡。

（1）当负载是容性负载可以稳定电路的输出。且在反馈环路内时候如图1中的R3，

（2）当R3在反馈环路外的时候可以防止输出端短路，损坏运放，而增加电阻只会带来Vout的下降且降幅参考输出摆幅和电路之间的关系.可参考各个预防的图三，实际以设计电路的带载能力为准。

（3）当运放端需要驱动某些东西，输出电阻可以很好的限制电流在需求范围内，且降低设备的功耗，防止不必要的浪费。

2.4为什么运放的反馈电阻不同？

（1）反馈电阻不仅仅影响运放输出的带宽，当反馈增益越大，则运放的带宽越小。

（2）反馈电阻影响运放的功耗，理论上我们知道当运放外围的电阻越大，则运放工作时候的功耗越小，运放发热就会减少，这是大电阻选择的唯一理由。当然弱电流测试例外。

电阻过大的危害：a：噪声影响，常温下电阻的噪声密度可以用 0.13√nV/√Hz 估算，一个 10kΩ 的电阻，其噪声密度约为 13nV/√Hz，与一个中等噪声的运放等效输入噪声密度相当。 而一个 100Ω 电阻，噪声密度约为 1.3nV/√Hz，等同于一个相当低噪声的运放。

b.杂散电容的带入，会导致上限截止频率降低。 c.造成的漏电阻影响。

（3）在电路系统中，源对测量端我们一般希望测量端是阻抗无穷大，源端阻抗无穷小，有利于测量的精度。运放的输出电阻同样的道理，输出电阻也影响和后级电路的运行。所以在电路系统中需全面的考虑电路的需求，一个电路不是所有的器件参数都需要关注的。

综上：电阻的选择建议参考芯片的数据手册，切勿凭感觉而行。我们根据外部电阻的需求对下面电路进行分析。

下图是一个典型的交流输出电路，一般使用在正弦，方波，谐波输出等电路中，用于控制电路，仪表检测等。我们发现同向输入端R，当RF远大于R1时候，虽然增大了放大倍数但是Vos*Gn同样被放大。而且假设运放的Ib确定，当R增大时候，R*Ib的影响也会在输出端成倍数增加。所以开发者既要考虑下限截止频率也要考虑偏置电流的影响。

2.5为什么运放的电源“有时候”需要接电阻？

如上图是一个简单得输出跟随电路，我们发现运放周围有4个电阻，R2,R4如我们上面说得是为了平衡运放得Ib,但是对MOS型运放无作用，实际电路设计可以预留，用于电路调试。R1为运放的输出电阻，输出电阻的大小可以从两个方面分析

1）当输出端对外有连接，需考虑外部电压的影响，导致电流倒灌，运放发热损坏运放，电阻可以一定程度的限流，当然100Ω是有限度的，还需其它外界电路的保护。

2）作为输出端的运放当电路异常时候，不能对外接设备造成影响和损坏，增加限流电阻防止运放虚焊等导致电源轨输出，大电流对外接设备的损坏。运放自身发热也会损坏。

R3作为电源的限流，一定程度上从根源限制了运放的输出能力，需结合电路设计增减。

上述几种电阻的作用不仅仅需保证设计指令还需考虑电路的实用性和稳定性。

综上：完美的产品是兼容性能和安全的。他好你也好

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