降低精密放大器的電壓失調(diào)

精密放大器的電壓失調(diào)誤差一部分是由輸入偏置電流造成的。本文對這一問題進(jìn)行分析，并給出了基于電阻網(wǎng)絡(luò)的解決方案，分別提供了分立和集成方案。分析結(jié)果表明，集成電阻相比成本較高的分立方案具有更好的性能。

對于精密電子，放大電路必須滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中的精度要求。設(shè)計(jì)這些放大器時所面臨的一個問題是：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。

問題分析

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

圖1. 理想運(yùn)算放大器簡化電路

很多一年級學(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)：

整理后得到：

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，此時運(yùn)算放大器將存在一定的輸入偏置電流。我們在理想運(yùn)算放大器的每個輸入端增加一個電流源來模擬這一效應(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)：

VOUT = IBIAS- × R2

解決問題

為了改進(jìn)電路我們增加一個電阻(圖3中的R3)，需要驗(yàn)證這一外加電阻的影響，該電阻會在同相端輸入引入一個負(fù)的偏壓：IBIAS+ × R3。由此可以通過調(diào)節(jié)R3消除偏置電流對反相端輸入的影響。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。

VIN = 0時，注意到我們在電路中疊加了一個電壓，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。

圖3中的精密運(yùn)算放大器可以采用集成或分立電阻。

集成電阻

MAX5421 (作為一個例子)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，可以將增益設(shè)置在1、2、4和8之間。

器件的數(shù)據(jù)資料顯示它們在電阻比為2、4、8的電阻對節(jié)點(diǎn)具有恒定電阻。電阻比為1時，節(jié)點(diǎn)僅等效為一個低阻。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-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)勢在于電阻之間的匹配度和一致的溫度特性。通過在增益設(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。

集成電阻的絕對阻值具有較大的誤差，但在這些電路中不會造成任何影響，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，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，并對該方案進(jìn)行分析。分立電阻對不僅需要具有±0.025%的比例容差，還必須在整個溫度范圍內(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，每個電阻的價(jià)格在幾個美元左右。即使降低對輸入失調(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)過對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。

審核編輯：郭婷