面向運算放大器應用的電阻器網絡

　　某些理想的運算放大器配置假定反饋電阻器呈現(xiàn)完美的匹配。而實際上，電阻器的非理想性會對各種電路參數(shù)產生影響，例如：共模抑制比（CMRR）、諧波失真和穩(wěn)定性。如圖1例子所示，配置一個單端放大器以將接地參考信號電平移位至2.5V共模電壓就需要一個上佳的CMRR。假設CMRR為34dB且沒有輸入信號，則該2.5V電平移位器將產生一個50mV的輸出偏移，其甚至有可能壓倒12位ADC和驅動器的LSB和偏移誤差。

　　圖1：用作電平移位器的單端運放

　　對于運放而言，34dB是一個不太理想的CMRR。然而，不管該運放的性能如何，一個由1%容差電阻器構成的反饋網絡會將CMRR限制在34dB。高度匹配的電阻器 （比如 LT5400提供的匹配準確度達0.01%、0.025%和0.05%的電阻器） 確保設計人員能夠接近或達到放大器產品手冊所宣稱的性能指標。本設計要點將LT5400與厚膜、0402、1%容差表面貼裝型電阻器進行了對比。研究了采用這些電阻器在一個LTC6362運放周圍提供反饋（如圖2所示）時的CMRR、諧波失真和穩(wěn)定性。

　　圖2：針對VOUT/VIN= 0.2配置的全差分運算放大器 共模抑制比

　　為了在存在共模噪聲的情況下獲得精準的測量結果，擁有高CMRR是很重要的。輸入CMRR定義為差分增益 （VOUT（DIFF）/VIN（DIFF）） 與輸入共模至差分轉換增益（VOUT（DIFF）/VIN（CM）） 之比。

　　在理想的單端和全差分放大器中，只有輸入差分電平會影響輸出電壓。然而，在實際電路中，電阻器失配對可用CMRR造成了限制。我們研究一下這款用于將一個±10V信號衰減至一個±2V信號而配置的電路。當采用匹配準確度為2% （1%容差） 的典型表面貼裝電阻器時，產生自電阻器的最壞情況CMRR為30dB。而當采用0.01%容差（0.02%匹配準確度） 的電阻器時，由電阻器產生的最壞情況CMRR為70dB。CMRR公式中的一個限制因素為：

　　該表達式簡化為典型電阻器的電阻匹配比，但LT5400則更進了一步，其通過限定電阻器對R1/R2與R4/R3之間的匹配來改善CMRR。通過將該式定義為CMRR匹配公式，LT5400所提供的準確度比只采用電阻器匹配比時更好。例如：LT5400A可保證：

　　從而將最壞情CMRR提升至82dB。

　　該電路在實驗室測試中所產生的CMRR為50.7dB（在很大程度上受到電阻器匹配準確度的限制，采用的是1%容差電阻器）和86.6dB（采用LT5400）。在該場合中，一個2.5V共模輸入將產生1.5mV （使用1%厚膜電阻器） 和23μV （采用LT5400） 偏移，從而使其適合于非常重視DC準確度的18位ADC應用。
諧波失真

　　當針對精準型應用選擇電阻器時，諧波失真也是很重要的。視尺寸和材料的不同，電阻器兩端的一個大信號電壓或許會使電阻發(fā)生顯著的變化。在不少片式電阻器中都出現(xiàn)這一問題，而且隨著電阻器上功率級的增加，這種情況自然變得愈發(fā)嚴重。表1以高功率驅動和相似功率驅動為基礎比較了厚膜、通孔和LT5400電阻器的失真性能指標。結果顯示：對于給定的信號，與其他電阻器類型相比，LT5400所引起的信號失真要小得多。

　　表1：對于給定的功率級，LT5400工作的線性度要好于其他的電阻器類型

　　穩(wěn)定性

　　圖3示出了LT5400中電阻器之間的分布式電容模型。為了在LT5400中實現(xiàn)高精度的匹配和跟蹤，以串聯(lián)和并聯(lián)的形式配置了許多小的硅鉻（SiCr）電阻器。由于復雜交錯結合的原因，故可以將LT5400電阻器模擬為在相鄰區(qū)段之間及各區(qū)段與裸露襯墊之間具有寄生電容之一連串無窮小電阻器。與此相反，未采用這種嚴緊布局的標準表面貼裝型電阻器則呈現(xiàn)出小得多的寄生電容。

　　圖3：匹配電阻器IC中分布式電容的簡單模型。R’分量之和產生一個等效的單電阻器。C’INTER的凈效應為1.4pF，而C’EXPOSED的凈效應為5.5pF

　　當裸露襯墊接地時，可以減輕電阻器間電容的影響。不過，即使在裸露襯墊接地之后，此電容仍然會通過形成一個寄生極點 （大約為總電阻與總電容的乘積） 而對電路的穩(wěn)定性產生影響。

　　由于過沖與相位裕量成反比，因此盡量減小階躍響應過沖是確保電路穩(wěn)定性的一個好方法。未經補償?shù)腖T5400配置產生的過沖為27%，而0402配置的過沖為17%。然而，實現(xiàn)8%過沖所需的補償電容器在這兩種配置中則大致相同：LT5400為18pF；0402電阻器為15pF。在采用的補償電容差不多相同的情況下，兩種電路所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性特征頗為相似。

　　結論

　　由于產品手冊規(guī)格假定的是理想組件，因此高精度放大器和ADC的實際性能通常難以實現(xiàn)。精細匹配的電阻器網絡 （例如：由LT5400提供的電阻器網絡） 可實現(xiàn)比分立式組件高幾個數(shù)量級的精準匹配，從而確保達到高精度IC產品手冊中宣稱的性能指標。