提高穩(wěn)定性的運(yùn)放電路超高精度電阻使用小技巧

一些理想的運(yùn)算放大器配置假定反饋電阻器呈現(xiàn)完美匹配。在實(shí)踐中，電阻器的非理想性會(huì)影響各種電路參數(shù)，如共模抑制比 （CMRR）、諧波失真和穩(wěn)定性。電源解決方案的單片IC設(shè)計(jì)常常會(huì)發(fā)揮精確匹配內(nèi)部元件的能力。仔細(xì)匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)比失配分立元件更精確的匹配數(shù)量級(jí)。通過高精度匹配電阻傳遞的數(shù)字信號(hào)也使輸出模擬信號(hào)的噪聲和失真更小。

一些理想的運(yùn)算放大器（通常簡寫為op-amp或opamp）配置是假定反饋電阻呈現(xiàn)出完美匹配。但在實(shí)踐中，電阻的非理想特征會(huì)影響各種電路參數(shù)，如共模抑制比（CMRR）、諧波失真和穩(wěn)定性。

運(yùn)放是一種直流耦合高增益電子電壓放大器，具有差分輸入，且通常是單端輸出。在這種配置下，運(yùn)放產(chǎn)生的輸出電位（相對于電路地）通常比其輸入端之間的電位差大數(shù)千倍。

精密放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的實(shí)際性能通常難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)表規(guī)格是基于理想的組件。精心匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)比不匹配的分立元件在匹配精度上高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，確保數(shù)據(jù)表規(guī)格滿足精密集成電路（IC）要求。

在電源方案的單片IC設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常會(huì)用到精確匹配內(nèi)部組件的能力。例如，通過精確匹配運(yùn)放的輸入晶體管來提供低失調(diào)電壓。如果我們非得用分立晶體管來制作運(yùn)放，那么將會(huì)有30mV或更高的失調(diào)電壓。這種精確匹配元件的能力包括片上電阻匹配。

圖1：反相運(yùn)放配置。

集成差分放大器就利用了精確的片上電阻匹配和激光微調(diào)。這些集成器件優(yōu)異的共模抑制依賴于精心設(shè)計(jì)的集成電路的精確匹配和溫度跟蹤。

通過使用成對切割（1:1比率）的芯片并將其放置在密閉網(wǎng)絡(luò)封裝中可實(shí)現(xiàn)明顯的跟蹤增益。可以通過使用超高精度電阻（熱端或冷端的電阻溫度系數(shù)在0.05 ppm/oC，相鄰的兩個(gè)芯片顯示的溫漂軌跡差在0.1 ppm/oC以內(nèi)）來實(shí)現(xiàn)極限增益。為獲得最佳跟蹤效果，必須使用絕對電阻溫度系數(shù)非常低的電阻（稱為超高精度電阻），這也有助于避免由于溫度梯度造成的復(fù)雜性。

匹配電阻對許多差分電路的性能都至關(guān)重要。比率之間的任何不匹配都會(huì)導(dǎo)致共模誤差。在這些電路中，CMRR是個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)樗砻饔卸嗌俨黄谕墓材Ｐ盘?hào)會(huì)出現(xiàn)在輸出中。由這些電路中的電阻引起的CMRR可以使用以下公式計(jì)算：

CMRR=1/2（G+1）/ Δ R/R（G =增益［放大系數(shù)］，R =電阻［Ω］）

在精密醫(yī)療設(shè)備（如電子掃描顯微鏡、血細(xì)胞計(jì)數(shù)設(shè)備和體內(nèi)診斷探頭）中，使用高度匹配精密電阻的差分放大器至關(guān)重要。

圖2：差分放大器。

惠斯登電橋（或電阻電橋）電路可用于多種應(yīng)用。當(dāng)今，利用現(xiàn)代運(yùn)放，我們可以使用惠斯登電橋電路將各種變頻器和傳感器連接到這些放大器電路。除了將未知電阻與已知電阻進(jìn)行比較外，惠斯登電橋在電子電路中有許多用途?；菟沟请姌螂娐菲鋵?shí)就是兩個(gè)簡單的電阻串并聯(lián)組合，當(dāng)連接在電壓源和接地之間的電阻平衡時(shí)，在這兩個(gè)并聯(lián)支路之間就會(huì)產(chǎn)生零壓差。

惠斯登電橋電路具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，由四個(gè)電阻構(gòu)成，如圖3所示的菱形結(jié)構(gòu)。這是惠斯登電橋的典型畫法。與運(yùn)放一起使用時(shí)，惠斯登電橋電路可用于測量和放大電阻的微小變化。與使用常規(guī)薄膜電阻相比，超高精度電阻的使用可精確地將電橋平衡點(diǎn)接地。所有四個(gè)電阻都各司其職，所以其匹配和穩(wěn)定性對于電橋平衡非常必要。

圖3：惠斯登電橋差分放大器。

平衡良好的惠斯登電橋差分放大器可用于電站的智能電網(wǎng)電力電路測量。它們也用于太陽能轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換器的效率直接取決于使用高穩(wěn)定電阻的電阻橋的平衡。

精密和低噪聲運(yùn)放通常用于在傳感器信號(hào)（如溫度、壓力、光線）進(jìn)入ADC之前調(diào)節(jié)這些信號(hào)。在這種應(yīng)用中，輸入失調(diào)電壓和輸入電壓噪聲這兩個(gè)特定的運(yùn)放參數(shù)對于良好的系統(tǒng)分辨率至關(guān)重要。超高精度電阻的低失調(diào)和低噪聲參數(shù)使其成為傳感器接口和發(fā)送器的理想選擇。

圖4：運(yùn)放求和公式。

圖5：數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

作為參考，高精度電阻用于數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸入也可實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)果。通過高精度匹配電阻傳遞的數(shù)字信號(hào)使模擬信號(hào)輸出的噪聲和失真更小。Bulk Metal Foil技術(shù)的噪聲等級(jí)為-40dB，使得這種電阻技術(shù)成為高端音頻ADC/DAC電路中參考和增益電阻的理想方案。低噪聲運(yùn)放在航空電子設(shè)備、軍用和航天（AMS）RFI設(shè)備（包括陀螺儀、GPS芯片組控制放大器和天線方向控制單元）中也非常關(guān)鍵。