匹配電阻幫助提高放大器性能

運(yùn)算放大器是模擬設(shè)計(jì)人員廣泛使用的器件，它們可用于提取、調(diào)整、轉(zhuǎn)換、緩沖、合并、過(guò)濾和調(diào)理真實(shí)世界的信號(hào)。對(duì)于需要高精確度和高穩(wěn)定性的應(yīng)用而言，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)考慮輸入失調(diào)電壓、噪聲、帶寬等性能規(guī)格，并選取能夠?qū)崿F(xiàn)必要性能的運(yùn)算放大器。由于誤差往往會(huì)累加，因此，在選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)等放大器之后的其他器件時(shí)，也要格外注意。盡管這一點(diǎn)很重要，設(shè)計(jì)人員還是需要小心，不能忽視放大器之前及其周?chē)骷木_度影響，尤其是電阻器。

電阻匹配對(duì)系統(tǒng)精確度的影響

圖中的電路采用了4個(gè)電阻器和一個(gè)運(yùn)算放大器，以構(gòu)成一個(gè)傳統(tǒng)的差分放大器（見(jiàn)圖1）。其輸出電壓由電阻器的比率決定：

圖：傳統(tǒng)的差分放大器。

從以上公式我們可以看到，在這個(gè)例子中，就決定放大器電路的性能而言，電阻匹配比絕對(duì)精度更加重要。如果R1和R2成比例變化，那么增益將保持不變。如果一個(gè)電阻相對(duì)于另一個(gè)電阻變化，那么R1與R2的比率就會(huì)變化，從而導(dǎo)致增益發(fā)生變化。在精準(zhǔn)分壓器、精準(zhǔn)增益級(jí)和橋式電路等其他常用的比例電路中，情況也是這樣。在以下的討論中，將針對(duì)3種類(lèi)型的電阻器來(lái)探討電阻失配對(duì)性能的影響：精準(zhǔn)分立電阻器，傳統(tǒng)的匹配電阻器陣列，以及最新精確匹配薄膜電阻器系列LT5400.

在上圖所示的差分放大器等高精確度應(yīng)用中，將需要比標(biāo)準(zhǔn)的1%電阻更好的電阻器。讓我們從精確度高10倍（即0.1%）的電阻器開(kāi)始考慮。在室溫時(shí)，每個(gè)電阻器都可能相對(duì)其標(biāo)稱(chēng)值在-0.1%至+0.1%的范圍內(nèi)變化，那么，兩個(gè)電阻器匹配最差的情況是±0.2%（（1+0.001）/（1-0.001）=1.002）或2000ppm，或9位精確度。隨著溫度的變化，匹配會(huì)成為一個(gè)更大的問(wèn)題。大多數(shù)電阻器制造商規(guī)定了一個(gè)獨(dú)立于容差規(guī)格說(shuō)明的溫度系數(shù)。在這個(gè)例子中使用的精確度為0.1%的電阻可能有25ppm/℃的溫度系數(shù)。在0℃至70℃的范圍內(nèi)，誤差結(jié)果高于3000ppm.這種誤差會(huì)轉(zhuǎn)變成放大器電路的增益誤差，而且其中并未包括運(yùn)算放大器本身的非理想狀態(tài)或信號(hào)鏈路中的其他誤差源。

如果需要更高的精確度，那么可能需要選擇更精確的0.01%容差的電阻器，不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)最佳的性能，應(yīng)該使用精確匹配的電阻器陣列。電阻器陣列（單個(gè)封裝中包含多個(gè)電阻器）中的電阻器往往隨著溫度的變化而相互追隨。例如：一個(gè)0.01%容差的陣列可能有±2ppm/℃的比率溫度系數(shù)，從而在0℃至70℃的范圍內(nèi)產(chǎn)生190ppm的誤差。這相對(duì)于分立式0.1%電阻器的情況有了顯著改善。

如果還需要更高的精確度，就可以使用凌力爾特公司的新型精確匹配電阻器系列LT5400.該系列器件采用了周密的布局方法，以便4個(gè)薄膜電阻器中的每一個(gè)在幾何上都平衡，而且共有同一個(gè)中心點(diǎn)。LT5400采用小型的表貼封裝，具有±75V的工作電壓。每個(gè)封裝都包含了4個(gè)電阻器，并且提供了不同的標(biāo)稱(chēng)電阻值，R1/R2的比率分別為1、5和10，未來(lái)還將提供更多選項(xiàng)（表1）。封裝底部的一個(gè)大裸露焊盤(pán)為所有4個(gè)電阻器提供一致的熱條件，并且在功耗很大的情況下，該焊盤(pán)還可最大限度地減小器件內(nèi)部的溫升。這種設(shè)計(jì)確保了所有4個(gè)電阻器都有相同的工作環(huán)境。LT5400在溫度變化時(shí)提供了優(yōu)于0.01%的電阻至電阻匹配，1ppm/℃的匹配溫度漂移，以及在2000小時(shí)以后不到2ppm的長(zhǎng)期穩(wěn)定性誤差。因此，該器件在0℃至70℃的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了100ppm的匹配誤差（表2）。它在甚至更寬的-50℃至150℃溫度范圍內(nèi)仍能保持卓越的性能。LT5400隨時(shí)間變化時(shí)也非常穩(wěn)定。它在2000小時(shí)內(nèi)具有不到2ppm的變化。

表2：不同類(lèi)型電阻器匹配誤差對(duì)比。

共模電壓的影響

在很多應(yīng)用中，放大器調(diào)理的信號(hào)被疊加到一個(gè)更大的（而且有時(shí)是變化的）共模信號(hào)上。在理想情況下，放大器會(huì)忽略共模信號(hào)，而放大、緩沖或者調(diào)理差分信號(hào)。如果放大器沒(méi)有有效消除共模信號(hào)，那么在輸出端就可能產(chǎn)生失調(diào)電壓和失真。放大器的共模抑制比（CMRR）衡量了運(yùn)算放大器對(duì)輸入信號(hào)共模分量的隔離能力。在這類(lèi)應(yīng)用中，電阻失配仍然是引起共模誤差的最直接根源。因電阻失配而引起的CMRR通常以dB表示，并可以利用以下公式計(jì)算：

其中，G是R1/R2的標(biāo)稱(chēng)值，而ΔR/R是電阻的比率匹配誤差。

從上述例子我們可以看出，在設(shè)定系統(tǒng)總體性能方面，電阻器仍然能夠起到主導(dǎo)作用。利用上面的等式，我們可以計(jì)算示例中電阻的共模抑制能力。一對(duì)0.1%的電阻器可達(dá)到54dB CMRR，一個(gè)0.01%的陣列可達(dá)到74dB CMRR.就CMRR性能而言，LT5400電阻器陣列與其他的電阻器是不同的。這是因?yàn)?，該器件是?zhuān)門(mén)針對(duì)嚴(yán)格的CMRR容差而設(shè)計(jì)和測(cè)試的，并且其CMRR容差有所保證。它保證了0.005% CMRR的匹配性能規(guī)格，就最高級(jí)版本而言，在溫度變化時(shí)可達(dá)到86dB CMRR.這比僅使用上述公式實(shí)現(xiàn)的性能要高2倍。

本文小結(jié)

運(yùn)算放大器與分立式器件相結(jié)合，可以構(gòu)成多種有用電路。在選擇這些外部器件時(shí)，應(yīng)該像選擇放大器本身一樣小心。電阻匹配（尤其是隨溫度變化的匹配）和共模電壓范圍都是重要的性能規(guī)格，這將決定系統(tǒng)精確度和在工廠或現(xiàn)場(chǎng)需要多少校準(zhǔn)工作才能實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)精確度。電阻器陣列最適合這些應(yīng)用，諸如LT5400四電阻器陣列等新產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)極好的精確度。