運(yùn)算放大器是模擬設(shè)計(jì)師使用最多的器件，他們用運(yùn)算放大器抽取、調(diào)整、轉(zhuǎn)換、緩沖、合并、過濾和調(diào)理真實(shí)世界的信號(hào)。就需要高精確度和高穩(wěn)定性的應(yīng)用而言，設(shè)計(jì)師會(huì)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(shí)現(xiàn)必要性能的運(yùn)算放大器。誤差往往會(huì)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(shí)，也要格外注意。盡管這一點(diǎn)很重要，不過設(shè)計(jì)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(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。

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(gè)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(duì)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(gè)電阻器相對(duì)于另一個(gè)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(huì)變化。在精確分壓器、精確增益級(jí)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(duì)?3?種類型的電阻器探討電阻器失配對(duì)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(shí)，每個(gè)電阻器都可能相對(duì)于其標(biāo)稱值在?-0.1%?至?+0.1%?的范圍內(nèi)變化，那么兩個(gè)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(huì)成為一個(gè)更大的問題。大多數(shù)電阻器制造商規(guī)定了一個(gè)獨(dú)立于容限性能規(guī)格的溫度系數(shù)。在這個(gè)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(huì)轉(zhuǎn)變成放大器電路的增益誤差，而且其中未包括運(yùn)算放大器本身的非理想性或信號(hào)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(shí)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(gè)封裝中的多個(gè)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(gè)?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(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新的精確匹配電阻器系列?LT5400。該系列器件運(yùn)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)都是平衡的，而且共用同一個(gè)中央點(diǎn)。LT5400?采用小型、表面貼裝封裝，具有?±75V?的工作電壓。每個(gè)封裝都包括了?4?個(gè)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(xiàng)?(參見表?1)。封裝底部一個(gè)大的裸露焊盤為所有?4?個(gè)電阻器提供一致的熱條件，該焊盤在功率消耗很大時(shí)，還最大限度地減小了內(nèi)部的上升溫度。這種設(shè)計(jì)確保所有?4?個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間變化時(shí)也非常穩(wěn)定。它在?2000?小時(shí)時(shí)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(hào)疊加在一個(gè)較大的?(而且有時(shí)是變化的)?共模信號(hào)之上。在理想情況下，放大器忽略共模信號(hào)，并放大、緩沖或者調(diào)理差分信號(hào)。如果放大器沒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(jì)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(jì)算之前討論的例子中電阻器的共模抑制能力。一對(duì)?0.1%?的電阻器將展現(xiàn)?54dB?CMRR，一個(gè)?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?yàn)?，該器件是專門為嚴(yán)格的?CMRR?容限而設(shè)計(jì)和測(cè)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(jí)版本而言，隨溫度變化實(shí)現(xiàn)了?86dB?CMRR。這比僅使用上述公式實(shí)現(xiàn)的性能好?2?倍。

結(jié)論

運(yùn)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(shí)，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(chǎng)需要多少校準(zhǔn)工作才能實(shí)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(shí)現(xiàn)了卓越的精確度。

表?1

表?2

電阻器類型

匹配誤差?(0°C?至?70°C)

0.1%?分立式

3800ppm

0.01%?陣列

190ppm

LT5400?陣列