精密放大器基于集成電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生失調(diào)的解決方案

對(duì)于精密電子，放大電路必須滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中的 要求。設(shè)計(jì)這些放大器時(shí)所面臨的一個(gè)問(wèn)題是：流入放大器輸入端的電流所產(chǎn)生的電壓失調(diào)。本文中，我們首先分析了產(chǎn)生失調(diào)的原因，并基于集成電阻網(wǎng)絡(luò)給出了相應(yīng)的解決方案。

問(wèn)題分析

在試圖解決問(wèn)題前，我們需要先了解問(wèn)題的起因。因此，我們首先考慮一個(gè)理想運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)化電路(圖 1)。

圖 1. 理想運(yùn)算放大器簡(jiǎn)化電路

很多一年級(jí)學(xué)生都非常熟悉該電路的分析(假設(shè)放大器輸入電流為零)：

引入有限的輸入阻抗可以使分析結(jié)果更接近實(shí)際情況，此時(shí)運(yùn)算放大器將存在一定的輸入偏置電流。我們?cè)诶硐脒\(yùn)算放大器的每個(gè)輸入端增加一個(gè)電流源來(lái)模擬這一效應(yīng)(圖 2)。

圖 2. 圖 1 理想運(yùn)算放大器的電流源模型，模擬輸入偏置電流。

為了分析每個(gè)電流源的影響，假設(shè) VIN = 0V。假設(shè) VIN 阻抗小于公式中的其它阻抗，IBIAS+將旁路到地，不會(huì)產(chǎn)生任何影響。由于 VIN = 0V，V- 也等于 0V。此外，由于 R1 兩端電位相同，為 0V 電位，分析中可忽略。這樣，我們很容易得到由于輸入偏置電流(IBIAS-)和反饋電阻(R2)所產(chǎn)生的輸出失調(diào)(VOUT)：

解決問(wèn)題

為了改進(jìn)電路我們?cè)黾右粋€(gè)電阻(圖 3 中的 R3)，需要驗(yàn)證這一外加電阻的影響，該電阻會(huì)在同相端輸入引入一個(gè)負(fù)的偏壓：IBIAS+ × R3。由此可以通過(guò)調(diào)節(jié) R3 消除偏置電流對(duì)反相端輸入的影響。當(dāng)然，合理的選擇是將同相端與反相端輸入的偏置電流調(diào)整到近似相等。

圖 3. 圖 2 電路中加入補(bǔ)償電阻(R3)，抵消輸入偏置電流的影響。

時(shí)，注意到我們?cè)陔娐分携B加了一個(gè)電壓，可以很容易得到 VOUT，即，輸出電壓等于同相端電壓乘以電壓增益，加上由于反相端輸入漏電流產(chǎn)生的失調(diào)。因?yàn)?VIN = 0，同相端作用的任何電壓都是該端和 R3 的漏電流：

如果 R3 等于 R1 和 R2 并聯(lián)，將抵消輸入偏置電流所產(chǎn)生的電壓。對(duì)于經(jīng)常采用這一技術(shù)的精密應(yīng)用，應(yīng)按照以下原則選擇電阻：

比值必須具有較高 ，以設(shè)置高 增益。

與 R1 和 R2 并聯(lián)電阻需 保持相等，以補(bǔ)償輸入偏置電流引入的誤差。

這些電阻應(yīng)保持相同的溫度特性。

圖 3 中的精密運(yùn)算放大器可以采用集成或分立電阻。

VIN = 0時(shí)，注意到我們?cè)陔娐分携B加了一個(gè)電壓，可以很容易得到VOUT，即，輸出電壓等于同相端電壓乘以電壓增益，加上由于反相端輸入漏電流產(chǎn)生的失調(diào)。因?yàn)閂IN = 0，同相端作用的任何電壓都是該端和R3的漏電流：

如果R3等于R1和R2并聯(lián)，將抵消輸入偏置電流所產(chǎn)生的電壓。對(duì)于經(jīng)常采用這一技術(shù)的精密應(yīng)用，應(yīng)按照以下原則選擇電阻：

R2/R1比值必須具有較高精度，以設(shè)置高精度增益。

R3與R1和R2并聯(lián)電阻需精確保持相等，以補(bǔ)償輸入偏置電流引入的誤差。

這些電阻應(yīng)保持相同的溫度特性。

集成電阻

MAX5421 （作為一個(gè)例子）內(nèi)置15kΩ電阻，采用+5V或-5V供電；類似器件MAX5431內(nèi)置57kΩ電阻，采用+15V或-15V供電。這些器件不僅包括精密的集成電阻，還可以在不同電阻間切換。利用電阻設(shè)置運(yùn)算放大器的增益時(shí)，可以將增益設(shè)置在1、2、4和8之間。

器件的數(shù)據(jù)資料顯示它們?cè)陔娮璞葹?、4、8的電阻對(duì)節(jié)點(diǎn)具有恒定電阻。電阻比為1時(shí)，節(jié)點(diǎn)僅等效為一個(gè)低阻。因此，所有比例下匹配電阻應(yīng)等于抽頭電阻（表1）。

表1. MAX5421/MAX5431分壓器匹配電阻設(shè)置

電阻容差如表2所示。

表2. MAX5421/MAX5431分壓電阻容差

需注意這些容差是在整個(gè)-40°C至+85°C工作溫度范圍能夠保證的最大值，從而保證了高精度增益容限。圖4給出了典型的集成電阻設(shè)計(jì)（一個(gè)精密放大器）。

圖4. 該精密放大器由精密電阻（MAX5421 IC）和通用的滿擺幅運(yùn)算放大器（MAX4493）組成。

MAX5421或MAX5431集成電阻芯片的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于電阻之間的匹配度和一致的溫度特性。通過(guò)在增益設(shè)置電阻之間進(jìn)行電子切換可以選擇所要求的系統(tǒng)增益。

集成電阻的絕對(duì)阻值具有較大的誤差，但在這些電路中不會(huì)造成任何影響，因?yàn)樵鲆嬷等Q于電阻比的精度，可以保證在±0.025%以內(nèi)。如果使用外部電阻進(jìn)行匹配，則很難得到適當(dāng)?shù)淖柚?，集成電阻則很容易達(dá)到匹配。集成電阻可以由工廠調(diào)整，保證增益設(shè)置電阻具有一致的溫度特性。R1和R2的誤差還會(huì)影響R3，R3應(yīng)該與R1和R2的并聯(lián)阻值保持相同。

如果系統(tǒng)中不需要R3，利用數(shù)字編程的精密電阻分壓器MAX5420和MAX5430可以降低系統(tǒng)成本。這些器件具有與MAX5421和MAX5431相同的性能，但不包含匹配電阻。對(duì)于固定增益應(yīng)用，可以采用MAX5490、MAX5491和MAX5492電阻分壓器，該系列器件只包括一路固定增益電阻對(duì)，不含匹配電阻。

分立電阻方案

我們現(xiàn)在轉(zhuǎn)向用分立元件設(shè)置增益的方案，并對(duì)該方案進(jìn)行分析。分立電阻對(duì)不僅需要具有±0.025%的比例容差，還必須在整個(gè)溫度范圍內(nèi)將變化率保持在容限以內(nèi)。實(shí)際上，這意味著每個(gè)電阻必須具有0.0125%的容差。電阻的數(shù)據(jù)資料通常給出了初始容差和溫度系數(shù)。由此我們可以計(jì)算出在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大容差。下面給出的例子基于具有低溫度系數(shù)的超高精度分立電阻：

初始容差：0.005%

溫度系數(shù)：2ppm

工作溫度范圍：-40°C至+85°C

因此，在整個(gè)工作范圍內(nèi)電阻容差為：

為了達(dá)到與采用集成電阻的運(yùn)算放大器方案相同的增益精度，必須使用上述超高精度電阻。雖然可以得到這樣的分立電阻，但成本非常昂貴，每個(gè)電阻的價(jià)格在幾個(gè)美元左右。即使降低對(duì)輸入失調(diào)匹配的要求，為了達(dá)到與集成電阻方案接近的性能，分立元件的成本也很難接受。一對(duì)電阻的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MAX542x或MAX543x （示例器件），這些器件集成了四種增益設(shè)置所需的全部電阻，另外還包括匹配電阻和切換增益設(shè)置所需的全部開關(guān)和邏輯電路。

結(jié)論

我們分析了由于輸入偏置電流所造成的電壓失調(diào)誤差。經(jīng)過(guò)對(duì)分立和集成電阻兩種方案的比較，可以看出，采用集成電阻能夠獲得優(yōu)于昂貴的分立方案的性能。

編輯：hfy