低溫漂移的耦合電阻對許多精密模擬電路至關(guān)重要。

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

這個常見問題對兩個重要的考慮提供了一些觀點: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",重點放在所謂的"匹配電阻"上。"這是另一個例子,從近200年前開始,聰明而有見地的電力和電子"實驗者"設(shè)計了拓撲,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,成對配置的多個電阻的準確電阻值并不像它們的相對比率那么重要。雖然許多情況下,這些電阻對有兩個相同標稱值(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,必須保持這個比率,以準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",因為這是重要的比率匹配。

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

問:你能舉個例子說明哪里需要匹配的一對嗎?

A: 最簡單的例子是分壓器,它把一個較大的值分成一個較小的( 圖1 )。這種安排通常被用來減弱信號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 .輸出的準確性不是電阻的絕對值的函數(shù),而是它們相對于彼此的相對比率的函數(shù)。由于這個原因,這種排列被稱為關(guān)系式拓撲。

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

問:需要多少比例的準確性?

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--這是一個很大的"但是"--許多精密應(yīng)用需要達到0.1%甚至0.01%的性能。

問:對大多數(shù)設(shè)計來說,性能達到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)可用于精密測量,如實驗室實驗或測試.此外,有些測量在一定范圍內(nèi)是非常重要的。例如,如果你正在評估一個標稱的3-V電池的健康和充電狀態(tài),你不需要在電池低的時候,例如在兩伏的時候,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確性,以知道何時停止充電和有可能造成過度充電損壞。

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

問:一旦你選擇了正確值或比率的電阻,你應(yīng)該擔心什么?

A: 有很多要擔心的。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的機械應(yīng)力和電路板的不可見運動而略微改變值,這可能導(dǎo)致電阻值的輕微變化。如果兩個匹配的電阻產(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。您可以購買或選擇具有匹配值的電阻器,但這些值會因溫度變化而改變,單個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: 一點也不。廣泛使用和著名的惠斯通橋是另一個很好的模型( 圖2 ).

圖2惠斯通橋是在精密測量電路中使用比率取消單個誤差源的早期例子。

這種橋拓撲結(jié)構(gòu)用于諸如應(yīng)變表或LVDS等傳感器的靈敏度測量。它的主要優(yōu)點是它可以消除電阻中的絕對誤差,只要你在橋的"臂"中保持比率;實際上,電阻的實際值不需要知道。這使你能夠精確測量一個未知的電阻,如應(yīng)變表,因為未知的手臂的電阻變化相同。

問:是否有其他情況影響電阻失配和比率變化?

A: 當然了。首先,有一個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影響增益設(shè)置的準確性。

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。一個重要的例子是電阻匹配對共模排斥比的影響。

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)直流信號上有一個小的變化信號的情況。這方面的一個常見情況是系列電池組中的最后電池或頂級電池組。所面臨的挑戰(zhàn)是精確測量電池電壓V n 其他細胞的存在( 圖4 ).

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

如果你用標準的差速器配置將任何放大器(OPAMP)電路連接到上電池的正負端子,你會看到電池的小電壓。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極都很常見,被稱為共模電壓(CMV)。理論上,在差動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有什么關(guān)系?

A: 如果不深入分析這些公式和分析,差動拓撲中的電阻失配將使CMRR的降解超過了該輸出放大器本身提供的CMRR。評估遺留集束彈藥風(fēng)險的簡化公式是:

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

當G是R的名義值時 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。