淺析運(yùn)算放大器中的平衡電阻

尹文青 梅瓊 肖運(yùn)昌

摘? ?要：運(yùn)算放大器是數(shù)字電子電路中非常重要的物理器件之一。對(duì)于運(yùn)算放大器的輸入端，為了調(diào)節(jié)其中電壓所引起的不匹配情況，需要接入平衡電阻。平衡電阻對(duì)于運(yùn)算放大器正常、高質(zhì)、有效的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。本文就運(yùn)算放大器中平衡電阻的產(chǎn)生原因、形成過程及相關(guān)物理效應(yīng)作全面解析，通過詳細(xì)敘述和推導(dǎo)，以圖闡明平衡電阻的作用和意義。

關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器? 平衡電阻

中圖分類號(hào)：TN 722? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（c）-0076-02

運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱運(yùn)放，主要應(yīng)用于電子科技行業(yè)。目前市場(chǎng)上存在的運(yùn)算放大器類型主要分為通用型、高阻型、低溫漂型、高速型、低功耗型、高壓大功率型和可編程控制型等。運(yùn)算放大器由于本身結(jié)構(gòu)的原因在輸入端產(chǎn)生失調(diào)電壓，不同類型的運(yùn)算放大器對(duì)失調(diào)電壓的要求也存在區(qū)別：例如交流音頻放大器對(duì)失調(diào)電壓的大小不作限制，此種類型的運(yùn)算放大器無(wú)需進(jìn)行特殊處理即可滿足功能需求;另外一些偏置電流很小的放大器亦無(wú)需進(jìn)行處理;除此之外，大部分運(yùn)算放大器均需特殊處理，以此迎合工藝要求的提高和放大倍數(shù)精度的提升，因此在運(yùn)放的理論和實(shí)踐處理中，有必要引入平衡電阻的調(diào)節(jié)。

如所周知，失調(diào)電壓會(huì)影響運(yùn)算放大器高質(zhì)有效的運(yùn)行。而平衡電阻的介入，則可以使集成運(yùn)放兩輸入端的對(duì)地直流電阻相等，從而達(dá)到其偏置電流的抵消，進(jìn)而抑制附加產(chǎn)生的不匹配電壓，從根本上消除失調(diào)電壓。為探討平衡電阻選取的原因和方法，本文針對(duì)運(yùn)算放大器的基本原理、作用功效及處理過程進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)平衡電阻進(jìn)行分析。

1? 平衡電阻產(chǎn)生的原因

從晶體管的運(yùn)行方式和工作效應(yīng)來(lái)看，促使平衡電阻產(chǎn)生并存在的原因可歸結(jié)為如下4個(gè)方面。

（1）晶體管內(nèi)部缺乏合適的靜態(tài)偏置電壓：運(yùn)算放大器作為芯片的重要組成部分，通常需要為內(nèi)部晶體管提供靜態(tài)偏置電壓。在一般情況下，電路是直接耦合的，滿足自動(dòng)調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的要求;但在非正常運(yùn)行情況下（如引腳直接接地或電源時(shí)），自動(dòng)調(diào)節(jié)功能將被破壞，無(wú)法對(duì)電源電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)不能滿足虛短、虛斷的要求，而平衡電阻的引入可對(duì)該情況進(jìn)行有效的改善。

（2）輸入阻抗不匹配引起放大倍數(shù)不準(zhǔn)：在運(yùn)算放大器中，經(jīng)常出現(xiàn)輸入阻抗不匹配的情況，輸入阻抗不匹配會(huì)引起電磁波在電路里反射，該反射將導(dǎo)致傳輸效率的降低和電路性能的下降（尤其在高頻回路中，此現(xiàn)象尤為明顯），因此運(yùn)放電路中合適的阻抗匹配不可或缺。

（3）回路中偏置電流的存在：輸入端存在失調(diào)電流，電流流過電阻會(huì)造成誤差，從而進(jìn)一步影響元件的精密性。引入平衡電阻可使運(yùn)放同相和反相輸入端阻抗相等，以便“預(yù)定”兩個(gè)輸入端“相等”的偏置電流產(chǎn)生壓降也相等，起到相互抵消的作用，從而消除失調(diào)電壓。

（4）回路電壓過高導(dǎo)致的運(yùn)算放大器燒毀：運(yùn)算放大器的同相放大電路如不接平衡電阻，在發(fā)生回路故障時(shí)將有可能損壞運(yùn)放，燒毀運(yùn)算放大器，但加入平衡電阻能起到分壓作用，從而消除此類現(xiàn)象的發(fā)生。

從以上可以看出，平衡電阻的引入對(duì)于運(yùn)放高質(zhì)有效的運(yùn)行有著重要的作用。

2? 平衡電阻的作用和意義

運(yùn)算放大器平衡電阻的接入，可使集成運(yùn)放兩輸入端的對(duì)地直流電阻相等，運(yùn)放的偏置電流不會(huì)產(chǎn)生附加失調(diào)電壓。一旦消除失調(diào)電壓，運(yùn)放的放大倍數(shù)可無(wú)限精確，有利于集成電路的進(jìn)一步發(fā)展。下面我們以反相放大器來(lái)說明平衡電阻的作用和意義。

如圖1所示的運(yùn)算放大器，在輸入為零時(shí)，若為理想運(yùn)放，則有。但實(shí)際情況中，運(yùn)算放大器存在失調(diào)電壓VB和失調(diào)電流IB。若定義輸入偏置電流為IS，依據(jù)失調(diào)電流和輸入偏置電流的關(guān)系則存在：

對(duì)于上式，當(dāng)且僅當(dāng)R2=R1//Rf時(shí)，才有，亦即此時(shí)由輸入偏置電流IS所產(chǎn)生的失調(diào)電壓才會(huì)為零。可以看出，平衡電阻的意義在于通過平衡電阻的改變來(lái)調(diào)節(jié)輸入和反饋電阻的匹配，從而達(dá)到抑制偏置電流的效果。由此根據(jù)平衡電阻的產(chǎn)生原因、電阻取值及存在意義進(jìn)行理論推導(dǎo)，可知僅當(dāng)平衡電阻R2=R1//Rf時(shí)，才能起到平衡抑制的作用。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文主要討論了促使平衡電阻產(chǎn)生和存在的四個(gè)原因，并在理論推導(dǎo)、形成過程及物理效應(yīng)等方面作全面解析，全方位的說明了平衡電阻的意義和作用，為運(yùn)算放大器的運(yùn)行機(jī)制提供了可靠的理論支撐，有利于從根本上理解平衡電阻的作用及存在原因，該理解對(duì)運(yùn)放類電子器件的研究和應(yīng)用具有重要參考意義。

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