面向精準(zhǔn)放大器應(yīng)用的匹配電阻器網(wǎng)絡(luò)

 某些理想的運(yùn)算放大器配置會(huì)假定反饋電阻器呈現(xiàn)完美的匹配。而事實(shí)上，電阻器的非理想性會(huì)對(duì)各種電路參數(shù)產(chǎn)生影響，如共模抑制比(CMRR)、諧波失真和穩(wěn)定性。如圖1例子所示，配置一個(gè)單端放大器以將接地參考信號(hào)電平移位至2.5V共模電壓就需要一個(gè)上佳的CMRR。假設(shè)CMRR為34dB且沒(méi)有輸入信號(hào)，則該2.5V電平移位器將產(chǎn)生一個(gè)50mV的輸出偏移，甚至有可能壓倒12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、驅(qū)動(dòng)器的最低有效位(LSB)和偏移誤差。

對(duì)于運(yùn)算放大器而言，34dB是一個(gè)不太理想的CMRR。然而，不管該運(yùn)算放大器的性能如何，一個(gè)由1%容差電阻器構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)會(huì)將CMRR限制在34dB。高度匹配的電阻器(如LT5400提供的匹配準(zhǔn)確度達(dá)0.01%、0.025%和0.05%的電阻器)確保設(shè)計(jì)人員能夠接近或達(dá)到放大器產(chǎn)品手冊(cè)所宣稱的性能指標(biāo)。本設(shè)計(jì)要點(diǎn)將LT5400與厚膜、0402、1%容差表面貼裝型電阻器進(jìn)行了對(duì)比，研究了采用這些電阻器在一個(gè)LTC6362運(yùn)算放大器周圍提供反饋(如圖2所示)時(shí)的CMRR、諧波失真和穩(wěn)定性。

共模抑制比

為了在存在共模噪聲的情況下獲取精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，擁有高CMRR很重要。輸入CMRR定義為差分增益(VOUT(DIFF)/VIN(DIFF))與輸入共模至差分轉(zhuǎn)換增益(VOUT(DIFF)/VIN(CM))的比值。在理想的單端和全差分放大器中，只有輸入差分電平會(huì)影響輸出電壓。然而，在實(shí)際電路中，電阻器失配對(duì)可用CMRR造成了限制。我們研究一下這款用于將一個(gè)±10V信號(hào)衰減至±2V信號(hào)而配置的電路。當(dāng)采用匹配準(zhǔn)確度為2%(1%容差)的典型表面貼裝電阻器時(shí)，產(chǎn)生自電阻器的最壞情況CMRR為30dB。而當(dāng)采用0.01%容差(0.02%匹配準(zhǔn)確度)的電阻器時(shí)，由電阻器產(chǎn)生的最壞情況CMRR為70dB。CMRR公式中的一個(gè)限制因素為：

該表達(dá)式簡(jiǎn)化為典型電阻器的電阻匹配比，但LT5400則更進(jìn)一步，其通過(guò)限定電阻器對(duì)R1/R2與R4/R3之間的匹配來(lái)改善CMRR。通過(guò)將該式定義為CMRR的匹配公式，LT5400所提供的準(zhǔn)確度比只采用電阻器匹配比時(shí)更好。例如，LT5400A可確保

從而將最壞情況CMRR提升至82dB。

該電路在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中所產(chǎn)生的CMRR為50.7dB(在很大程度上受到電阻器匹配準(zhǔn)確度的限制，使用的是1%容差電阻器)和86.6dB(使用LT5400)。在該場(chǎng)合中，一個(gè)2.5V共模輸入將產(chǎn)生1.5mV(使用1%厚膜電阻器)和23μV(使用LT5400)偏移，從而使其適合于非常重視DC準(zhǔn)確度的18位ADC應(yīng)用。

諧波失真

在為精準(zhǔn)型應(yīng)用挑選電阻器時(shí)，諧波失真也是很重要的。視尺寸和材料的不同，電阻器兩端的一個(gè)大信號(hào)電壓或許會(huì)使電阻發(fā)生顯著的變化。在不少片式電阻器中都會(huì)出現(xiàn)這一問(wèn)題，并且隨著電阻器上功率級(jí)的增加，這種情況會(huì)變得愈發(fā)嚴(yán)重。表1以高功率驅(qū)動(dòng)和相似功率驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)比較了厚膜、通孔和LT5400電阻器的失真性能指標(biāo)。比較結(jié)果顯示：對(duì)于給定的信號(hào)，與其他電阻器類型相比，LT5400所引起的信號(hào)失真要小得多。

圖3展示了LT5400中電阻器之間的分布式電容模型。為了在LT5400中實(shí)現(xiàn)高精度的匹配和跟蹤，以串聯(lián)和并聯(lián)的方式配置了很多小型硅鉻(SiCr)電阻器。由于復(fù)雜交錯(cuò)結(jié)合的原因，可以將LT5400電阻器模擬為在相鄰區(qū)段之間及各區(qū)段與裸露焊盤之間具有寄生電容的一連串無(wú)窮小電阻器。與此相反，未采用這種嚴(yán)密布局的標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝型電阻器則呈現(xiàn)出小得多的寄生電容。

當(dāng)裸露焊盤接地時(shí)，可以減輕電阻器間電容的影響。不過(guò)，即使在裸露焊盤接地之后，該電容仍舊會(huì)通過(guò)形成一個(gè)寄生極點(diǎn)(約為總電阻與總電容的乘積)而對(duì)電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

由于過(guò)沖與相位裕量成反比，因此盡量減小階躍響應(yīng)過(guò)沖是確保電路穩(wěn)定性的一個(gè)好辦法。未經(jīng)補(bǔ)償?shù)腖T5400配置產(chǎn)生的過(guò)沖為27%，而0402配置的過(guò)沖為17%。然而，實(shí)現(xiàn)8%過(guò)沖所需的補(bǔ)償電容器在這兩種配置中則大致相同：LT5400為18pF，0402電阻器為15pF。在采用的補(bǔ)償電容差不多相同的情況下，兩種電路所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性特征頗為相似。

結(jié)論

由于產(chǎn)品手冊(cè)規(guī)格假定的是理想組件，因此高精度放大器和ADC的實(shí)際性能通常難以實(shí)現(xiàn)。精密匹配的電阻器網(wǎng)絡(luò)(如LT5400提供的電阻器網(wǎng)絡(luò))可實(shí)現(xiàn)比分立式組件高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的精準(zhǔn)匹配，從而確保達(dá)到高精度IC產(chǎn)品手冊(cè)中宣稱的性能指標(biāo)。