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电阻匹配与稳定性真的是运算放大器效能的保障?

2016-12-09 来源:李斐盈 [责任编辑:wenwei]
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【导读】运算放大器是直流耦合高增益电子电压放大设备,通常具有差动输入和单端输出。一些理想的运算放大器配置通常假设回馈电阻具有完美的匹配特性,但实际上电阻的非理想因素会影响各种电路参数,例如共模抑制比、谐波失真和稳定性。
 
运算放大器是直流耦合高增益电子电压放大设备,通常具有差动输入和单端输出。在该配置里,运算放大器产生了一个输出电位(相对于电路接地),远大于输入终端间的电位差。一些理想的运算放大器配置通常假设回馈电阻具有完美的匹配特性,但实际上电阻的非理想因素会影响各种电路参数,例如共模抑制比,谐波失真和稳定性。
 
精密放大器和模拟数字转换器的实际表现常不能达到理想值的水平,因为电子组件并非其规格书上所描述的那么完美。因此,审慎选择电阻将是决定放大器、转换器等组件性能是否能如预期般发挥的关键。经过匹配的网络电阻精确度远远优于未匹配的分立电阻,保证电阻性能如规格书上描述,可以适用于精密集成电路。
 
应用差动放大器 电阻精准匹配不可少
 
在电源方案单片集成电路的设计中,我们通常的做法是尽可能准确匹配内部组件。例如,运算放大器的输入晶体管需要精确匹配来提供低补偿电压。如果我们一定要在运算放大器中使用分立晶体管,便须将补偿电压控制在30mV或以上,并准确匹配片内电阻。
 
整合差动放大器充分利用了精密片内电阻的匹配和激光调阻技术(图1、图2)。这些整合组件的极佳共模抑制表现取决于精心设计的集成电路的准确匹配和温度跟踪。
 
电阻匹配与稳定性真的是运算放大器效能的保障?
图1 反向运算放大器配置
 
电阻匹配与稳定性真的是运算放大器效能的保障?
图2 差动放大器电路示意图与输出等式
 
最终的跟踪增益通过使用密封封装的配对(1:1比例)电阻来实现。这些超精密电阻的温度飘移在热端或冷端仅0.05ppm/℃,两相邻电阻的跟踪温度飘移低于0.1ppm/℃。为了实现最佳的跟踪参数,必须使用具有极低绝对温飘(超精密电阻一大特性)的电阻,可以避免温度差造成的阻值漂移。
 
多种差动电路的性能都取决于匹配电阻的性能。任何的不匹配都会造成共模误差。共模抑制比是这种电路的一个重要衡量标准,因为它代表的是有多少冗余共模信号将在输出端出现。电路中的共模抑制比可以透过以下公式得到:
 
CMRR=1/2(G+1)/ΔR/R
 
G为增益放大系数,R为阻值,单位是奥姆。
 
在差动放大器中使用高匹配度的精密电阻是至关重要的,特别是在一些精密的医疗设备中,如电子扫描显微镜、血细胞计数仪和体内诊断探针。
 
放大器搭配信号转换器 精密电阻不可或缺
 
惠斯通电桥(或单臂电桥)电路应用非常广泛,如今在现代运算放大器中,我们可以将惠斯通电桥电路与各种传感器连接。不同于将一个未知阻值与已知阻值相比,惠斯通电桥在电路中有很多用法。惠斯通电桥电路就是在电源端和接地间两个简单的电阻串并联,当电桥达到平衡时两个并联分路间产生零压差。
 
惠斯通电桥有两个输入端和两个输出端,包括如图3中四个排列如钻石形状的电阻。这是典型的惠斯通桥的画法。当与运算放大器一起使用时,惠斯通桥可用于测量和放大阻值的轻微变化。使用超精密电阻令电桥平衡比使用常规的薄膜电阻要精确的多。因为四个电阻都是主动的,它们的匹配和稳定性对于电桥平衡起着至关重要的作用。
 
电阻匹配与稳定性真的是运算放大器效能的保障?
图3 惠斯通电桥差动放大器
 
平衡后的惠斯通电桥差动放大器可用于发电厂智慧电网的测量。也可用于太阳能转换器,它的工作效率直接取决于使用高稳定性电阻的电桥平衡性。
 
放大器超精密电阻 携手实现理想传感器界面
 
精密低噪的运算放大器通常用于将传感器(如温度、压力、光)发出的讯号放大,随后再将讯号送入模拟数字转换器。在这类应用情况下,放大器的输入补偿电压和输入电压噪声参数对系统分辨率高低起着决定性作用。超精密电阻具有低补偿和低噪声的特性,可以让放大器成为理想的传感器接口(图4)。
 
电阻匹配与稳定性真的是运算放大器效能的保障?
图4 以运算放大器作为传感器接口
 
超精密电阻也非常适用于数字模拟转换器的输入端(图5)。数字信号通过匹配的超精密电阻制造更低的噪声,减少输出模拟信号的失真。金属箔技术的噪声水平为-40dB,使得箔技术电阻成为高端音讯模数转换和数模转换电路中参照电阻和增益电阻的理想选择。低噪运算放大器在航空电子、军工、航天领域的射频干扰设备中起着决定性作用,包括陀螺仪、GPS芯片控制放大器和天线定向控制单元。
 
电阻匹配与稳定性真的是运算放大器效能的保障?
图5 以精密电阻做为数字模拟转换器的输入端
 
电阻特性攸关运算放大器应用电路效能
 
运算放大器是许多电路设计都会使用到的组件,其实际性能表现往往与电阻的特性密切相关。本文以几种常见的运算放大器应用为例,解释电阻的特性如何影响运算放大器性能表现。当应用开发者进行相关电路设计时,应特别注意电阻的匹配与电阻本身的稳定性,以确保电路的性能表现能合乎预期。
 
(本文作者Victor Chertakovsky/Kai Karstensen任职于威世,李斐盈任职于深圳市开步电子)
 
 
 
 
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关键字:运算放大器 电阻 放大器 
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