使用匹配電阻的原因和方法，第1部分

低溫漂移的耦合電阻對(duì)許多精密模擬電路至關(guān)重要。

在模擬信號(hào)鏈中實(shí)現(xiàn)高性能、高精度和一致性需要注意微妙的細(xì)節(jié)。在許多情況下,這些細(xì)節(jié)包括諸如電阻器等無源元件的絕對(duì)精度,以及由于老化、機(jī)械應(yīng)力,特別是溫度變化而對(duì)元件特性產(chǎn)生的更微妙的影響。

這個(gè)常見問題對(duì)兩個(gè)重要的考慮提供了一些觀點(diǎn):1)精確電阻的"為什么"和2)供應(yīng)商制造它們的各種方法的"如何",重點(diǎn)放在所謂的"匹配電阻"上。"這是另一個(gè)例子,從近200年前開始,聰明而有見地的電力和電子"實(shí)驗(yàn)者"設(shè)計(jì)了拓?fù)?以抵消不可避免的組件缺陷和電路缺陷的影響。注:在這方面,"匹配"一詞與射頻阻抗和阻抗匹配完全不同,而且與它的使用無關(guān)。

什么是匹配的電阻?

A: 在許多模擬電路中,成對(duì)配置的多個(gè)電阻的準(zhǔn)確電阻值并不像它們的相對(duì)比率那么重要。雖然許多情況下,這些電阻對(duì)有兩個(gè)相同標(biāo)稱值(1:1比率)的電阻,也有許多情況下,他們有不同的臨界值,如10:1,必須保持這個(gè)比率,以準(zhǔn)確和一致的電路性能。即使電阻是不平等的,它們?nèi)匀唤?jīng)常被指定為"匹配",因?yàn)檫@是重要的比率匹配。

圖1基于電阻的分壓器是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子,其中一個(gè)比而不是實(shí)際的分量值的臨界參數(shù)。

問:你能舉個(gè)例子說明哪里需要匹配的一對(duì)嗎?

A: 最簡(jiǎn)單的例子是分壓器,它把一個(gè)較大的值分成一個(gè)較小的( 圖1 )。這種安排通常被用來減弱信號(hào)在放大器的輸入范圍內(nèi)。

輸出電壓很容易確定:V 在外面 = R 2 /(R 1 +R 2 ) × V 在…中 .輸出的準(zhǔn)確性不是電阻的絕對(duì)值的函數(shù),而是它們相對(duì)于彼此的相對(duì)比率的函數(shù)。由于這個(gè)原因,這種排列被稱為關(guān)系式拓?fù)洹?

注意,如果兩個(gè)電阻值相同,那么V 在外面 = ? V 在…中 .這是一個(gè)清楚和明顯的例子,說明比率在哪里重要,而不是實(shí)際價(jià)值。

問:需要多少比例的準(zhǔn)確性?

A: 答案是通常的:視情況而定。在許多情況下,1%的表現(xiàn)通常是最低要求。但是--這是一個(gè)很大的"但是"--許多精密應(yīng)用需要達(dá)到0.1%甚至0.01%的性能。

問:對(duì)大多數(shù)設(shè)計(jì)來說,性能達(dá)到1%似乎足夠精確;為什么0.1%或0.01%是需要的?

A: 原因有二:

一,該系統(tǒng)可用于精密測(cè)量,如實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)或測(cè)試.此外,有些測(cè)量在一定范圍內(nèi)是非常重要的。例如,如果你正在評(píng)估一個(gè)標(biāo)稱的3-V電池的健康和充電狀態(tài),你不需要在電池低的時(shí)候,例如在兩伏的時(shí)候,高精度,但是你可能需要一致性、精確性和圍繞滿充電值的準(zhǔn)確性,以知道何時(shí)停止充電和有可能造成過度充電損壞。

二是在整個(gè)信號(hào)鏈錯(cuò)誤預(yù)算中必須考慮到電阻問題引起的任何讀取錯(cuò)誤。作為這一預(yù)算分析的一部分,經(jīng)常需要盡可能減少錯(cuò)誤,并保持在最大允許錯(cuò)誤限度以下。使用匹配的電阻可能是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法,讓您的設(shè)計(jì)有更多的空間來處理這些其他錯(cuò)誤。

問:一旦你選擇了正確值或比率的電阻,你應(yīng)該擔(dān)心什么?

A: 有很多要擔(dān)心的。首先,電阻器可能"老化"使用,通常是由于其耗散的熱量和環(huán)境加熱。它們也可能由于安裝時(shí)的機(jī)械應(yīng)力和電路板的不可見運(yùn)動(dòng)而略微改變值,這可能導(dǎo)致電阻值的輕微變化。如果兩個(gè)匹配的電阻產(chǎn)生不同的壓力,他們可能轉(zhuǎn)移從其初始值的不同百分比。它們甚至可能向不同的方向轉(zhuǎn)移,這將導(dǎo)致它們的比例發(fā)生更大的變化。

問:溫度怎么樣?

A: 溫度引起的電阻變化是匹配電阻的最大潛在誤差來源。您可以購(gòu)買或選擇具有匹配值的電阻器,但這些值會(huì)因溫度變化而改變,單個(gè)電阻器的漂移不一定按比例相互跟蹤。

問:不穩(wěn)定分壓器是唯一受配位電阻比變化影響的安排嗎?

A: 一點(diǎn)也不。廣泛使用和著名的惠斯通橋是另一個(gè)很好的模型( 圖2 ).

圖2惠斯通橋是在精密測(cè)量電路中使用比率取消單個(gè)誤差源的早期例子。

這種橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于諸如應(yīng)變表或LVDS等傳感器的靈敏度測(cè)量。它的主要優(yōu)點(diǎn)是它可以消除電阻中的絕對(duì)誤差,只要你在橋的"臂"中保持比率;實(shí)際上,電阻的實(shí)際值不需要知道。這使你能夠精確測(cè)量一個(gè)未知的電阻,如應(yīng)變表,因?yàn)槲粗氖直鄣碾娮枳兓嗤?

問:是否有其他情況影響電阻失配和比率變化?

A: 當(dāng)然了。首先,有一個(gè)被配置為逆變放大器的基本版放大器( 圖3 ).

圖3在其經(jīng)典的配置中,一個(gè)逆變的輸出放大器的增益是由反饋率和輸入電阻的比率決定的。

增益僅是反饋電阻R比率的函數(shù) f 輸入電阻R 我 ;稍有不同的排列方式,但有相同的比率依賴關(guān)系,可不產(chǎn)生反向增益。顯然,該比率的任何變化都會(huì)影響增益設(shè)置的準(zhǔn)確性。

問:這些與收益相關(guān)的情況是否是唯一需要維持住宅區(qū)匹配比率的情況?

A: 不,還有別的。一個(gè)重要的例子是電阻匹配對(duì)共模排斥比的影響。

問:什么是遺留集束彈藥,為什么我們關(guān)心它?

A: 考慮一下在靜態(tài)直流信號(hào)上有一個(gè)小的變化信號(hào)的情況。這方面的一個(gè)常見情況是系列電池組中的最后電池或頂級(jí)電池組。所面臨的挑戰(zhàn)是精確測(cè)量電池電壓V n 其他細(xì)胞的存在( 圖4 ).

圖4共模電壓通常是由大直流電壓引起的,在多細(xì)胞串聯(lián)排列中,感興趣的電壓作為一個(gè)小值,是單個(gè)電池測(cè)量中的常見情況。

如果你用標(biāo)準(zhǔn)的差速器配置將任何放大器(OPAMP)電路連接到上電池的正負(fù)端子,你會(huì)看到電池的小電壓。然而,它將從地面上被先前電池的大直流值所抵消。你可能會(huì)在幾十伏的電壓上尋找?guī)缀练木_度。

圖5電阻失配降低了差動(dòng)放大器的常見模式排斥比.

問:那么,可以做什么呢?

A: 這種更大的電壓在電池的正極和負(fù)極都很常見,被稱為共模電壓(CMV)。理論上,在差動(dòng)安排中使用放大器將抵消共模電壓,只放大差( 圖5 ).

這是一個(gè)理想的論壇。正極放大器不理想,其性能受普通模式電壓的影響。它的能力是以它的CMR為特征的,并以分貝(db)表示。典型的情況是,運(yùn)算放大器的CMRR可以從30分貝到80分貝甚至更高。

問:這與電阻匹配和電阻值的波動(dòng)有什么關(guān)系?

A: 如果不深入分析這些公式和分析,差動(dòng)拓?fù)渲械碾娮枋鋵⑹笴MRR的降解超過了該輸出放大器本身提供的CMRR。評(píng)估遺留集束彈藥風(fēng)險(xiǎn)的簡(jiǎn)化公式是:

CMRR (dB) = 20 log [0.5 × (1 + G/(ΔR/R)]

當(dāng)G是R的名義值時(shí) 1 /R 2, 而它是電阻比匹配誤差。

問:失配如何影響cmrr?

A: 由于1%不匹配,CMRR將是34分貝(不太好);由于有0.1%的電阻,它將提高到54分貝CMRR;0.01%的匹配電阻將導(dǎo)致74分貝CMRR。

前面關(guān)于匹配、溫度引起的變化、電阻的溫度系數(shù)(TCR)和配位電阻跟蹤的討論是"原則上"的。"?下一節(jié) 將研究供應(yīng)商開發(fā)的不同方式,以提供高精度,低TCR和匹配跟蹤電阻。