用于精密放大器应用的匹配电阻网络

一些理想的运算放大器配置假设反馈电阻表现出完美匹配。实际上，电阻非理想性会影响各种电路参数，例如共模抑制比（CMRR）、谐波失真和稳定性。例如，如图1所示，配置为将以地为参考信号电平转换至2.5V共模的单端放大器需要良好的CMRR。假设CMRR为34dB且无输入信号，这款2.5V电平转换器的输出失调为50mV，甚至会压倒12位ADC和驱动器的LSB和失调误差。

图1.用作电平转换器的单端运算放大器

对于运算放大器，34dB的CMRR不太理想。但是，无论运算放大器的能力如何，1%容差电阻的反馈网络都会将CMRR限制在34dB。高度匹配的电阻器（例如 LT5400 提供的电阻器）提供 0.01%、0.025% 和 0.05% 匹配，确保设计人员能够接近或满足放大器数据手册的规格。本设计笔记比较了 LT5400 与厚膜、0402、1% 容差的表面贴装电阻器。这些电阻器考虑了CMRR、谐波失真和稳定性，以提供LTC6362运放周围的反馈，如图2所示。

图2.全差分运算放大器配置为V电压外/V在= 0.2

共模抑制比

为了在存在共模噪声的情况下获得精确的测量结果，高CMRR非常重要。输入CMRR定义为差分增益之比（V输出（差异）/V在（差异）） 到输入共模到差分转换 （V输出（差异）/V英寸（厘米）).

在理想的单端和全差分放大器中，只有输入差分电平会影响输出电压。然而，在实际电路中，电阻失配限制了可用的CMRR。考虑将此电路配置为将±10V信号衰减为±2V信号。使用匹配度为2%（容差为1%）的典型表面贴装电阻器，电阻器在最差情况下的CMRR贡献为30dB。在0.01%容差和0.02%匹配的情况下，电阻的最差情况下CMRR贡献为70dB。CMRR方程中的限制因素是：

此表达式简化为典型电阻器的电阻匹配比，但 LT5400 采取了一个额外的步骤，通过限制电阻对 R1/R2 和 R4/R3 之间的匹配来提供改进的 CMRR。通过将这个公式定义为 CMRR 的匹配，LT5400 提供了优于电阻器匹配比的准确度。例如，LT5400A 保证：

将最坏情况下的CMRR提高到82dB。

该电路的台架测试得出了 50.7dB （高度电阻匹配限制） （采用 1% 容差电阻器）和 86.6dB （采用 LT5400）。在这种情况下，一个 2.5V 共模输入将产生一个 1.5mV 的失调（采用 1% 厚膜电阻器）和一个 23μV 的失调（采用 LT5400）时，因而适合于直流准确度至关重要的 18 位 ADC 应用。

谐波失真

在为精密应用选择电阻器时，谐波失真也很重要。电阻器两端的大信号电压可能会显著改变电阻，具体取决于尺寸和材料。这个问题出现在许多基于芯片的电阻器中，并且随着电阻器功率电平的增加而自然变得更加严重。表 1 比较了基于高功率驱动和类似功率驱动的厚膜、通孔和 LT5400 电阻器的失真。结果表明，对于给定信号，LT5400 对信号的失真远小于其他电阻器类型。

稳定性

图 3 示出了 LT5400 中电阻器之间的分布电容模型。为了实现 LT5400 中的高精度匹配和跟踪，许多小型 SiCr 电阻器都采用串联和并联方式。由于复杂的叉，LT5400 电阻器可建模为一系列无穷小电阻器，在相邻段之间以及各个段与裸露焊盘之间具有寄生电容。相比之下，典型的表面贴装电阻器，如果没有紧凑的布局，通常寄生电容明显较低。

图3.匹配电阻IC中分布电容的简单模型。R′ 分量的总和产生一个等效的单个电阻器。C′的净效应国米为1.4pF和C'的净效应暴露为 5.5pF

当裸露焊盘接地时，电阻间电容的影响可以减轻。然而，即使在将裸露焊盘接地后，该电容仍然会通过形成总电阻乘以总电容的寄生极来影响电路稳定性。

由于过冲与相位裕量成反比，因此最小化阶跃响应过冲是确保电路稳定性的好方法。与0402配置的17%相比，未补偿的LT5400配置表现出27%的过冲。然而，实现 8% 过冲所需的补偿电容器在两种配置中大致相同：LT5400 为 18pF;15pF，带 0402 电阻。在几乎相同的补偿下，两个电路表现出相似的稳定性特性。

结论

精密放大器和ADC的实际性能通常难以实现，因为数据手册规格假定是理想元件。精心匹配的电阻网络（例如 LT5400 提供的电阻网络）可实现比分立元件高出几个数量级的精密匹配，从而确保满足精准 IC 的数据手册规格。

审核编辑：郭婷