關(guān)于電阻器提高放大器的性能分析和應(yīng)用

運算放大器是模擬設(shè)計師使用最多的器件，他們用運算放大器抽取、調(diào)整、轉(zhuǎn)換、緩沖、合并、過濾和調(diào)理真實世界的信號。就需要高精確度和高穩(wěn)定性的應(yīng)用而言，設(shè)計師會仔細(xì)考慮輸入失調(diào)電壓、噪聲、帶寬等性能規(guī)格，并選擇能實現(xiàn)必要性能的運算放大器。誤差往往會疊加，因此選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)等放大器之后的其他組件時，也要格外注意。盡管這一點很重要，不過設(shè)計師還必須小心，千萬不能忽視放大器之前及其周圍組件的準(zhǔn)確度之影響，尤其是電阻器。

電阻器匹配度影響系統(tǒng)準(zhǔn)確度

以下所示電路采用了?4?個電阻器和一個運算放大器，以構(gòu)成一個傳統(tǒng)的差分放大器。

Difference?Amplifier：差分放大器

輸出電壓由電阻器的比率決定：

從以上公式我們可以看到，在這個例子中，就決定放大器電路的性能而言，電阻器的匹配比電阻器的絕對準(zhǔn)確度重要。如果?R1?和?R2?成正比變化，那么增益將保持不變。如果一個電阻器相對于另一個電阻器有變化，那么?R1?與?R2?的比率就有變化，這樣增益就一定會變化。在精確分壓器、精確增益級和橋式電路等常用的比例電路中，情況也是這樣。在以下討論中，將針對?3?種類型的電阻器探討電阻器失配對性能的影響：精確的分立式電阻器、傳統(tǒng)匹配電阻器陣列、和新的精確匹配薄膜電阻器系列?LT5400。

在上圖所示的差分放大器等精確應(yīng)用中，將需要比標(biāo)準(zhǔn)?1%?電阻好的電阻器。讓我們從考慮高?10?倍準(zhǔn)確度?(即?0.1%)?的電阻器開始。在室溫時，每個電阻器都可能相對于其標(biāo)稱值在?-0.1%?至?+0.1%?的范圍內(nèi)變化，那么兩個電阻器最差的匹配度是?±0.2%?[?即?(1+0.001)?/?(1-0.001)?=?1.002]?或?2000ppm，或?9?位準(zhǔn)確度。隨著溫度變化，匹配會成為一個更大的問題。大多數(shù)電阻器制造商規(guī)定了一個獨立于容限性能規(guī)格的溫度系數(shù)。在這個例子中使用了準(zhǔn)確度為?0.1%?的電阻器可能有?25ppm/°C?的溫度系數(shù)。在?0°C?至?70°C?的范圍內(nèi)，誤差結(jié)果高于?3000ppm。這種誤差會轉(zhuǎn)變成放大器電路的增益誤差，而且其中未包括運算放大器本身的非理想性或信號鏈路中其他誤差源所引起的誤差。

如果需要更高的準(zhǔn)確度，那么可能需要選擇更精確的?0.01%?容限之電阻器，不過要實現(xiàn)最佳性能，應(yīng)該使用精確匹配的電阻器陣列。電阻器陣列由包含在單個封裝中的多個電阻器組成，其中的電阻器往往隨著溫度變化相互跟蹤。例如，一個?0.01%?容限的電阻器陣列可能有?±2ppm/°C?的比率溫度系數(shù)，從而在?0°C?至?70°C?的范圍內(nèi)引起?190ppm?的誤差。這相對于分立式?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新的精確匹配電阻器系列?LT5400。該系列器件運用了周密的布局方法，以便?4?個薄膜電阻器中的每一個都是平衡的，而且共用同一個中央點。LT5400?采用小型、表面貼裝封裝，具有?±75V?的工作電壓。每個封裝都包括了?4?個電阻器，并提供不同的標(biāo)稱電阻值，R1/R2?的比率分別為?1、5?和?10，未來將提供更多選項?(參見表?1)。封裝底部一個大的裸露焊盤為所有?4?個電阻器提供一致的熱條件，該焊盤在功率消耗很大時，還最大限度地減小了內(nèi)部的上升溫度。這種設(shè)計確保所有?4?個電阻器都有相同的工作環(huán)境。LT5400?隨溫度變化提供好于?0.01%?的電阻器至電阻器匹配、1ppm/°C?的匹配溫度漂移、以及在?2000?小時以后不到?2ppm?的長期穩(wěn)定性誤差。因此，該器件在?0°C?至?70°C?的范圍內(nèi)實現(xiàn)了?100ppm?的匹配誤差?(表?2)。它在更寬的?-50°C?至?150°C?溫度范圍內(nèi)保持了卓越的性能。LT5400?隨時間變化時也非常穩(wěn)定。它在?2000?小時時顯示了不到?2ppm?的變化。

共模電壓的影響

在很多應(yīng)用中，放大器調(diào)理的信號疊加在一個較大的?(而且有時是變化的)?共模信號之上。在理想情況下，放大器忽略共模信號，并放大、緩沖或者調(diào)理差分信號。如果放大器沒有有效消除共模信號，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)?衡量運算放大器對輸入信號共模分量的隔離能力。在這類應(yīng)用中，電阻器失配仍然能非常容易地成為共模誤差的最大貢獻(xiàn)者。電阻器失配導(dǎo)致的?CMRR?通常以?dB?為單位，并可利用以下公式計算：

其中?G?是?R1/R2?的標(biāo)稱值，而?ΔR/R?是電阻器比率匹配誤差。

從上述例子我們可以看出，在設(shè)定系統(tǒng)總體性能方面，電阻器仍然能起到主導(dǎo)作用。利用上面的等式，我們可以計算之前討論的例子中電阻器的共模抑制能力。一對?0.1%?的電阻器將展現(xiàn)?54dB?CMRR，一個?0.01%?的陣列將展現(xiàn)?74dB?CMRR。就?CMRR?性能而言，LT5400?電阻器陣列與所考慮的其他電阻器是不同的。這是因為，該器件是專門為嚴(yán)格的?CMRR?容限而設(shè)計和測試的，而且其?CMRR?容限是有保證的。它提供有保證的?0.005%?CMRR?匹配性能規(guī)格，就最高級版本而言，隨溫度變化實現(xiàn)了?86dB?CMRR。這比僅使用上述公式實現(xiàn)的性能好?2?倍。

結(jié)論

運算放大器與分立式組件相結(jié)合，可構(gòu)成種類繁多的有用電路。在選擇這些外部組件時，應(yīng)該像選擇放大器本身一樣小心。電阻器匹配?(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)的準(zhǔn)確度以及在工廠或現(xiàn)場需要多少校準(zhǔn)工作才能實現(xiàn)所需的系統(tǒng)準(zhǔn)確度。電阻器陣列最適合這類應(yīng)用，諸如?LT5400?四電阻器陣列等新產(chǎn)品實現(xiàn)了卓越的精確度。

表?1

關(guān)于電阻器提高放大器的性能分析和應(yīng)用