匹配电阻帮助提高放大器性能

admin

运算放大器是模拟设计人员广泛使用的器件，它们可用于提取、调整、转换、缓冲、合并、过滤和调理真实世界的信号。对于需要高精确度和高稳定性的应用而言，设计人员需要仔细考虑输入失调电压、噪声、带宽等性能规格，并选取能够实现必要性能的运算放大器。由于误差往往会累加，因此，在选择数据转换器、电压基准等放大器之后的其他器件时，也要格外注意。尽管这一点很重要，设计人员还是需要小心，不能忽视放大器之前及其周围器件的精确度影响，尤其是电阻器。
       
        电阻匹配对系统精确度的影响
       
        图中的电路采用了4个电阻器和一个运算放大器，以构成一个传统的差分放大器（见图1）。其输出电压由电阻器的比率决定：
         
       
        图：传统的差分放大器。
         
       
        从以上公式我们可以看到，在这个例子中，就决定放大器电路的性能而言，电阻匹配比绝对精度更加重要。如果R1和R2成比例变化，那么增益将保持不变。如果一个电阻相对于另一个电阻变化，那么R1与R2的比率就会变化，从而导致增益发生变化。在精准分压器、精准增益级和桥式电路等其他常用的比例电路中，情况也是这样。在以下的讨论中，将针对3种类型的电阻器来探讨电阻失配对性能的影响：精准分立电阻器，传统的匹配电阻器阵列，以及最新精确匹配薄膜电阻器系列LT5400.
       
        在上图所示的差分放大器等高精确度应用中，将需要比标准的1%电阻更好的电阻器。让我们从精确度高10倍（即0.1%）的电阻器开始考虑。在室温时，每个电阻器都可能相对其标称值在-0.1%至+0.1%的范围内变化，那么，两个电阻器匹配最差的情况是±0.2%（（1+0.001）/（1-0.001）=1.002）或2000ppm，或9位精确度。随着温度的变化，匹配会成为一个更大的问题。大多数电阻器制造商规定了一个独立于容差规格说明的温度系数。在这个例子中使用的精确度为0.1%的电阻可能有25ppm/℃的温度系数。在0℃至70℃的范围内，误差结果高于3000ppm.这种误差会转变成放大器电路的增益误差，而且其中并未包括运算放大器本身的非理想状态或信号链路中的其他误差源。
       
        如果需要更高的精确度，那么可能需要选择更精确的0.01%容差的电阻器，不过，要实现最佳的性能，应该使用精确匹配的电阻器阵列。电阻器阵列（单个封装中包含多个电阻器）中的电阻器往往随着温度的变化而相互追随。例如：一个0.01%容差的阵列可能有±2ppm/℃的比率温度系数，从而在0℃至70℃的范围内产生190ppm的误差。这相对于分立式0.1%电阻器的情况有了显著改善。
       
        如果还需要更高的精确度，就可以使用凌力尔特公司的新型精确匹配电阻器系列LT5400.该系列器件采用了周密的布局方法，以便4个薄膜电阻器中的每一个在几何上都平衡，而且共有同一个中心点。LT5400采用小型的表贴封装，具有±75V的工作电压。每个封装都包含了4个电阻器，并且提供了不同的标称电阻值，R1/R2的比率分别为1、5和10，未来还将提供更多选项（表1）。封装底部的一个大裸露焊盘为所有4个电阻器提供一致的热条件，并且在功耗很大的情况下，该焊盘还可最大限度地减小器件内部的温升。这种设计确保了所有4个电阻器都有相同的工作环境。LT5400在温度变化时提供了优于0.01%的电阻至电阻匹配，1ppm/℃的匹配温度漂移，以及在2000小时以后不到2ppm的长期稳定性误差。因此，该器件在0℃至70℃的范围内实现了100ppm的匹配误差（表2）。它在甚至更宽的-50℃至150℃温度范围内仍能保持卓越的性能。LT5400随时间变化时也非常稳定。它在2000小时内具有不到2ppm的变化。
         
       
        表2：不同类型电阻器匹配误差对比。
        共模电压的影响
       
        在很多应用中，放大器调理的信号被叠加到一个更大的（而且有时是变化的）共模信号上。在理想情况下，放大器会忽略共模信号，而放大、缓冲或者调理差分信号。如果放大器没有有效消除共模信号，那么在输出端就可能产生失调电压和失真。放大器的共模抑制比（CMRR）衡量了运算放大器对输入信号共模分量的隔离能力。在这类应用中，电阻失配仍然是引起共模误差的最直接根源。因电阻失配而引起的CMRR通常以dB表示，并可以利用以下公式计算：
         
       
        其中，G是R1/R2的标称值，而ΔR/R是电阻的比率匹配误差。
       
        从上述例子我们可以看出，在设定系统总体性能方面，电阻器仍然能够起到主导作用。利用上面的等式，我们可以计算示例中电阻的共模抑制能力。一对0.1%的电阻器可达到54dB CMRR，一个0.01%的阵列可达到74dB CMRR.就CMRR性能而言，LT5400电阻器阵列与其他的电阻器是不同的。这是因为，该器件是专门针对严格的CMRR容差而设计和测试的，并且其CMRR容差有所保证。它保证了0.005% CMRR的匹配性能规格，就最高级版本而言，在温度变化时可达到86dB CMRR.这比仅使用上述公式实现的性能要高2倍。
       
        本文小结
       
        运算放大器与分立式器件相结合，可以构成多种有用电路。在选择这些外部器件时，应该像选择放大器本身一样小心。电阻匹配（尤其是随温度变化的匹配）和共模电压范围都是重要的性能规格，这将决定系统精确度和在工厂或现场需要多少校准工作才能实现所需的系统精确度。电阻器阵列最适合这些应用，诸如LT5400四电阻器阵列等新产品能够实现极好的精确度。