匹配的電阻器最大限度地提高放大器的性能

　　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?！?/p>

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 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(shí)，每個(gè)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(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。