关于电阻器提高放大器的性能分析和应用

运算放大器是模拟设计师使用最多的器件，他们用运算放大器抽取、调整、转换、缓冲、合并、过滤和调理真实世界的信号。就需要高精确度和高稳定性的应用而言，设计师会仔细考虑输入失调电压、噪声、带宽等性能规格，并选择能实现必要性能的运算放大器。误差往往会叠加，因此选择数据转换器、电压基准等放大器之后的其他组件时，也要格外注意。尽管这一点很重要，不过设计师还必须小心，千万不能忽视放大器之前及其周围组件的准确度之影响，尤其是电阻器。

电阻器匹配度影响系统准确度

以下所示电路采用了 4 个电阻器和一个运算放大器，以构成一个传统的差分放大器。

Difference Amplifier：差分放大器

输出电压由电阻器的比率决定：

从以上公式我们可以看到，在这个例子中，就决定放大器电路的性能而言，电阻器的匹配比电阻器的绝对准确度重要。如果 R1 和 R2 成正比变化，那么增益将保持不变。如果一个电阻器相对于另一个电阻器有变化，那么 R1 与 R2 的比率就有变化，这样增益就一定会变化。在精确分压器、精确增益级和桥式电路等常用的比例电路中，情况也是这样。在以下讨论中，将针对 3 种类型的电阻器探讨电阻器失配对性能的影响：精确的分立式电阻器、传统匹配电阻器阵列、和新的精确匹配薄膜电阻器系列 LT5400。

在上图所示的差分放大器等精确应用中，将需要比标准 1% 电阻好的电阻器。让我们从考虑高 10 倍准确度 (即 0.1%) 的电阻器开始。在室温时，每个电阻器都可能相对于其标称值在 -0.1% 至 +0.1% 的范围内变化，那么两个电阻器最差的匹配度是 ±0.2% [ 即 (1+0.001) / (1-0.001) = 1.002] 或 2000ppm，或 9 位准确度。随着温度变化，匹配会成为一个更大的问题。大多数电阻器制造商规定了一个独立于容限性能规格的温度系数。在这个例子中使用了准确度为 0.1% 的电阻器可能有 25ppm/°C 的温度系数。在 0°C 至 70°C 的范围内，误差结果高于 3000ppm。这种误差会转变成放大器电路的增益误差，而且其中未包括运算放大器本身的非理想性或信号链路中其他误差源所引起的误差。

如果需要更高的准确度，那么可能需要选择更精确的 0.01% 容限之电阻器，不过要实现最佳性能，应该使用精确匹配的电阻器阵列。电阻器阵列由包含在单个封装中的多个电阻器组成，其中的电阻器往往随着温度变化相互跟踪。例如，一个 0.01% 容限的电阻器阵列可能有 ±2ppm/°C 的比率温度系数，从而在 0°C 至 70°C 的范围内引起 190ppm 的误差。这相对于分立式 0.1% 电阻器的情况有了显著改善。

如果还需要更高的精确度，就可以使用凌力尔特公司新的精确匹配电阻器系列 LT5400。该系列器件运用了周密的布局方法，以便 4 个薄膜电阻器中的每一个都是平衡的，而且共用同一个中央点。LT5400 采用小型、表面贴装封装，具有 ±75V 的工作电压。每个封装都包括了 4 个电阻器，并提供不同的标称电阻值，R1/R2 的比率分别为 1、5 和 10，未来将提供更多选项 (参见表 1)。封装底部一个大的裸露焊盘为所有 4 个电阻器提供一致的热条件，该焊盘在功率消耗很大时，还最大限度地减小了内部的上升温度。这种设计确保所有 4 个电阻器都有相同的工作环境。LT5400 随温度变化提供好于 0.01% 的电阻器至电阻器匹配、1ppm/°C 的匹配温度漂移、以及在 2000 小时以后不到 2ppm 的长期稳定性误差。因此，该器件在 0°C 至 70°C 的范围内实现了 100ppm 的匹配误差 (表 2)。它在更宽的 -50°C 至 150°C 温度范围内保持了卓越的性能。LT5400 随时间变化时也非常稳定。它在 2000 小时时显示了不到 2ppm 的变化。

共模电压的影响

在很多应用中，放大器调理的信号叠加在一个较大的 (而且有时是变化的) 共模信号之上。在理想情况下，放大器忽略共模信号，并放大、缓冲或者调理差分信号。如果放大器没有有效消除共模信号，那么在输出端就可能产生失调电压和失真。放大器的共模抑制比 (CMRR) 衡量运算放大器对输入信号共模分量的隔离能力。在这类应用中，电阻器失配仍然能非常容易地成为共模误差的最大贡献者。电阻器失配导致的 CMRR 通常以 dB 为单位，并可利用以下公式计算：

其中 G 是 R1/R2 的标称值，而 ΔR/R 是电阻器比率匹配误差。

从上述例子我们可以看出，在设定系统总体性能方面，电阻器仍然能起到主导作用。利用上面的等式，我们可以计算之前讨论的例子中电阻器的共模抑制能力。一对 0.1% 的电阻器将展现 54dB CMRR，一个 0.01% 的阵列将展现 74dB CMRR。就 CMRR 性能而言，LT5400 电阻器阵列与所考虑的其他电阻器是不同的。这是因为，该器件是专门为严格的 CMRR 容限而设计和测试的，而且其 CMRR 容限是有保证的。它提供有保证的 0.005% CMRR 匹配性能规格，就最高级版本而言，随温度变化实现了 86dB CMRR。这比仅使用上述公式实现的性能好 2 倍。

结论

运算放大器与分立式组件相结合，可构成种类繁多的有用电路。在选择这些外部组件时，应该像选择放大器本身一样小心。电阻器匹配 (尤其是随温度变化的匹配) 和共模电压范围，都是重要的性能规格，这将决定系统的准确度以及在工厂或现场需要多少校准工作才能实现所需的系统准确度。电阻器阵列最适合这类应用，诸如 LT5400 四电阻器阵列等新产品实现了卓越的精确度。

表 1

表 2

电阻器类型

匹配误差 (0°C 至 70°C)

0.1% 分立式

3800ppm

0.01% 阵列

190ppm

LT5400 阵列