了解電子電路中的溫度漂移

了解電子電路中的溫度漂移，即電阻器和放大器。我們還將介紹閃爍噪聲的影響如何發(fā)揮作用以及漂移如何限制信號(hào)平均的有效性。

即使在固定的電氣條件下(電源電壓、輸入和負(fù)載)，電子電路也不是完全穩(wěn)定的，因?yàn)樗鼈兺鶗?huì)隨著時(shí)間和溫度而漂移。這些與理想行為的偏差會(huì)給精密測(cè)量增加相當(dāng)大的誤差。為了深入了解電子產(chǎn)品中的溫度漂移，本文簡要介紹了電阻器和放大器的溫度行為。我們還將討論閃爍噪聲的影響可能不容易與輸出中的溫度引起的漂移區(qū)分開來。最后，我們將討論漂移會(huì)限制信號(hào)平均技術(shù)的有效性，該技術(shù)通常用于提高可重復(fù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

電阻溫度漂移——電阻溫度系數(shù)

作為最簡單的電子元件類型，電阻器可能被忽略為高性能電路中的誤差源。但是，電阻的值不是恒定的，會(huì)隨著溫度和時(shí)間而變化。例如，如果電阻器的溫度系數(shù)為 ±50 ppm/°C，并且環(huán)境溫度比參考溫度(室溫)高 100 °C，則電阻器的值可能會(huì)發(fā)生 ±0.5 % 的變化。

幸運(yùn)的是，在許多應(yīng)用中，電路精度取決于兩個(gè)或多個(gè)電阻的比率，而不是單個(gè)電阻的絕對(duì)值。在這些情況下，可以使用匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，例如LT5400。電阻器形成一個(gè)共襯底網(wǎng)絡(luò)，并表現(xiàn)出良好匹配的溫度特性。圖 1 比較了單個(gè)分立電阻器與匹配電阻器網(wǎng)絡(luò)的溫度特性。

圖 1. 匹配電阻器網(wǎng)絡(luò)溫度特性的分立電阻器。圖片由Vishay提供

在該圖中，橙色線指定了單個(gè) ±50 ppm/°C 電阻器值變化的限制，因?yàn)闇囟葟膮⒖紲囟?(20°C) 沿任一方向變化。紅色曲線對(duì)應(yīng)于來自匹配電阻器網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)電阻器，它們表現(xiàn)出相似的溫度特性。匹配電阻器的溫度系數(shù) (TC) 相互跟蹤，通常在 2–10 ppm/°C 范圍內(nèi)。具有良好匹配溫度特性的電阻器可能是某些精密應(yīng)用(例如電阻式電流檢測(cè))的基本要求。

具有相同溫度系數(shù)的溫度引起的漂移

應(yīng)該注意的是，即使 TC 值相同，電路中的電阻器也會(huì)產(chǎn)生與溫度相關(guān)的漂移。您可以在下面看到圖 2 中的示例。

圖 2. 創(chuàng)建溫度相關(guān)漂移的示例。 圖片 [已修改] 由Analog Devices提供

在上圖中，兩個(gè)電阻具有相同的 TC (+25 ppm/°C);但是，電阻兩端的電壓以及因此兩個(gè)電阻消耗的功率是非常不同的。R 2 = 100 Ω兩端的電壓為 0.1 V，導(dǎo)致功耗為 0.1 mW。然而，R 1兩端的電壓為 9.9 V;因此，該電阻器消耗 9.9 mW。假設(shè)兩個(gè)電阻的熱阻為125°C/W，R 1和R 2的溫度將分別比環(huán)境溫度升高1.24°C和0.0125°C。這種不相等的自熱效應(yīng)導(dǎo)致兩個(gè)電阻漂移不同的量。

圖 3(a) 顯示了另一個(gè)示例，其中相同的 TC 不一定能解決溫度漂移問題。

圖 3.使用 (a) 分立電阻器用于不同的局部環(huán)境溫度和 (b) 使用集成電阻器/電阻器陣列用于相同的局部環(huán)境溫度的示例。 圖片由Vishay提供

在上圖中，如果設(shè)計(jì)包含具有相同 TC 的不相等電阻器 (R 1 ≠ R 2 )，則電阻器的自熱會(huì)產(chǎn)生如上所述的溫度引起的漂移。但是，電壓調(diào)節(jié)器可能會(huì)導(dǎo)致額外的溫度梯度。即使兩個(gè)電阻器的電阻和 TC 相同(R 1 = R 2和 TC 1 = TC 2)，該溫度梯度也會(huì)在電阻器中產(chǎn)生不相等的溫度漂移。

可以使用電阻陣列來避免上述示例的漂移問題(圖 3(b))。通過在單個(gè)基板上實(shí)施電阻器網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)電阻器熱耦合并經(jīng)歷相同的環(huán)境溫度。

其他電路中的溫度漂移——運(yùn)算放大器溫度漂移

由于一個(gè)簡單的電阻器容易受到溫度和老化的影響，因此其他更復(fù)雜電路的參數(shù)也會(huì)隨著溫度和時(shí)間而漂移也就不足為奇了。例如，放大器的輸入失調(diào)電壓隨溫度和時(shí)間而變化。這會(huì)產(chǎn)生時(shí)變誤差，限制可測(cè)量的最小直流信號(hào)。典型通用精密運(yùn)算放大器的失調(diào)漂移范圍為 1–10 μV/°C。

如果放大器的偏移漂移限制了我們的測(cè)量精度，我們可以考慮使用斬波穩(wěn)定放大器。這些器件使用偏移消除技術(shù)將偏移電壓降低到非常低的水平(例如，小于 10 μV)并產(chǎn)生接近零漂移的操作。斬波穩(wěn)定放大器(例如Microchip 的 MCP6V51)的失調(diào)漂移可低至 36 nV/°C。

溫度漂移或閃爍噪聲 (1/f)?

在非常低的頻率下，閃爍噪聲是影響電路輸出的主要噪聲源。閃爍噪聲的平均功率與工作頻率成反比(這就是為什么閃爍噪聲也稱為 1/f 噪聲)。頻率越低，1/f 噪聲的平均功率就越高。如果我們測(cè)量電路的輸出足夠長的時(shí)間，我們可以捕捉到這種低頻噪聲的影響。圖 4 顯示了閃爍噪聲在ADA4622-2輸出端產(chǎn)生的放大波動(dòng)。

圖 4. ADA4622-2 輸出閃爍噪聲的放大波動(dòng)。圖片由ADI 公司提供

ADA4622-2 是一款精密運(yùn)算放大器，具有 0.1 Hz 至 10 Hz 噪聲，典型值為 0.75 μV pp。上圖的波形顯示了 ADA4622-2 的 0.1 Hz 至 10 Hz 噪聲放大了 1000 倍。如您所見，閃爍噪聲導(dǎo)致輸出隨機(jī)緩慢波動(dòng)。這些波動(dòng)是由不同于溫度或老化引起的漂移的現(xiàn)象產(chǎn)生的。然而，由于其低頻特性，1/f 噪聲的影響可能不容易與信號(hào)中的漂移區(qū)分開來。

在運(yùn)算放大器的情況下，失調(diào)漂移和 1/f 噪聲都會(huì)在輸出端引起緩慢的誤差。這就是為什么使用失調(diào)消除技術(shù)來減少失調(diào)漂移的零漂移運(yùn)算放大器在輸出端沒有 1/f 噪聲的原因。圖 5 比較了連續(xù)時(shí)間放大器和零漂移放大器的 1/f 噪聲。

圖 5. 連續(xù)時(shí)間放大器與零漂移放大器的噪聲。圖片由TI提供

漂移會(huì)限制信號(hào)平均的有效性嗎?另一種有效的降噪技術(shù)是信號(hào)平均。如果我們有一個(gè)噪聲方差為的可重復(fù)實(shí)驗(yàn)，我們可以重復(fù)實(shí)驗(yàn) M 次并對(duì)相應(yīng)的輸出樣本進(jìn)行平均，以將噪聲方差降低到：

等式 1。

其中表示平均信號(hào)的噪聲方差。盡管信號(hào)平均在某些應(yīng)用中很有效，但它仍然有其局限性。信號(hào)平均基于噪聲樣本彼此不相關(guān)的假設(shè)。測(cè)量數(shù)據(jù)中的緩慢漂移可以作為低頻相關(guān)噪聲分量并限制信號(hào)平均技術(shù)的有效性。在這種情況下，噪聲抑制將低于公式 1 預(yù)測(cè)的值。 此外，根據(jù)給定應(yīng)用中隨機(jī)漂移的類型，平均信號(hào)的方差可能會(huì)增加到 M 的某些值以上。

在另一篇文章中，我們將更仔細(xì)地研究信號(hào)平均技術(shù)的這種局限性，并介紹一種有用的統(tǒng)計(jì)分析工具，稱為艾倫方差，它使我們能夠更深入地了解電路的輸出如何因不同而趨于漂移閃爍噪聲、溫度效應(yīng)等現(xiàn)象。