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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)師還必須小心，千萬(wàn)不能忽視放大器之前及其周?chē)M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(lèi)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(kāi)始。在室溫時(shí)，每個(gè)電阻器都可能相對(duì)于其標(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(wèn)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(guò)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(chēng)電阻值，R1/R2 的比率分別為 1、5 和 10，未來(lái)將提供更多選項(xiàng) (參見(jiàn)表 1)。封裝底部一個(gè)大的裸露焊盤(pán)為所有 4 個(gè)電阻器提供一致的熱條件，該焊盤(pán)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(zhǎng)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(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(chēng)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�?zhuān)門(mén)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(lèi)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(lèi)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
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電阻器類(lèi)型
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匹配誤差 (0°C 至 70°C)
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0.1% 分立式
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3800ppm
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0.01% 陣列
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190ppm
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LT5400 陣列
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100ppm
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