對于精密電子，放大電路必須滿足設(shè)計指標(biāo)中的精度要求。設(shè)計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)。
 

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)：

 

公式 1

 

整理后得到：

 

公式 2

 

引入有限的輸入阻抗可以使分析結(jié)果更接近實際情況，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)。因為 VIN = 0，同相端作用的任何電壓都是該端和 R3 的漏電流：

 

公式 3

 

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)點具有恒定電阻。電阻比為 1 時，節(jié)點僅等效為一個低阻。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(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，因為增益值取決于電阻比的精度，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)淖柚担呻娮鑴t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。