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运算放大器的高精度匹配

       一些理想的运算放大器(通常简写为op-amp或opamp)配置是假定反馈电阻呈现出完美匹配。但在实践中,电阻的非理想特征会影响各种电路参数,如共模抑制比(CMRR)、谐波失真和稳定性。
运放是一种直流耦合高增益电子电压放大器,具有差分输入,且通常是单端输出。在这种配置下,运放产生的输出电位(相对于电路地)通常比其输入端之间的电位差大数千倍。
       精密放大器和模数转换器(ADC)的实际性能通常难以实现,因为数据表规格是基于理想的组件。精心匹配的电阻网络比不匹配的分立元件在匹配精度上高几个数量级,确保数据表规格满足精密集成电路(IC)要求。
       在电源方案的单片IC设计中,我们经常会用到精确匹配内部组件的能力。例如,通过精确匹配运放的输入晶体管来提供低失调电压。如果我们非得用分立晶体管来制作运放,那么将会有30mV或更高的失调电压。这种精确匹配元件的能力包括片上电阻匹配。
42-6-10_看图王.jpg图1:反相运放配置。
       集成差分放大器就利用了精确的片上电阻匹配和激光微调。这些集成器件优异的共模抑制依赖于精心设计的集成电路的精确匹配和温度跟踪。
       通过使用成对切割(1:1比率)的芯片并将其放置在密闭网络封装中可实现明显的跟踪增益。可以通过使用超高精度电阻(热端或冷端的电阻温度系数在0.05 ppm/oC,相邻的两个芯片显示的温漂轨迹差在0.1 ppm/oC以内)来实现极限增益。为获得最佳跟踪效果,必须使用绝对电阻温度系数非常低的电阻(称为超高精度电阻),这也有助于避免由于温度梯度造成的复杂性。
       匹配电阻对许多差分电路的性能都至关重要。比率之间的任何不匹配都会导致共模误差。在这些电路中,CMRR是个重要指标,因为它表明有多少不期望的共模信号会出现在输出中。由这些电路中的电阻引起的CMRR可以使用以下公式计算:
CMRR=1/2(G+1)/ Δ R/R(G =增益[放大系数],R =电阻[Ω])
       在精密医疗设备(如电子扫描显微镜、血细胞计数设备和体内诊断探头)中,使用高度匹配精密电阻的差分放大器至关重要。
42-6-11_看图王.jpg图2:差分放大器。
       惠斯登电桥(或电阻电桥)电路可用于多种应用。当今,利用现代运放,我们可以使用惠斯登电桥电路将各种变频器和传感器连接到这些放大器电路。除了将未知电阻与已知电阻进行比较外,惠斯登电桥在电子电路中有许多用途。惠斯登电桥电路其实就是两个简单的电阻串并联组合,当连接在电压源和接地之间的电阻平衡时,在这两个并联支路之间就会产生零压差。
       惠斯登电桥电路具有两个输入端和两个输出端,由四个电阻构成,如图3所示的菱形结构。这是惠斯登电桥的典型画法。与运放一起使用时,惠斯登电桥电路可用于测量和放大电阻的微小变化。与使用常规薄膜电阻相比,超高精度电阻的使用可精确地将电桥平衡点接地。所有四个电阻都各司其职,所以其匹配和稳定性对于电桥平衡非常必要。
42-6-12_看图王.jpg图3:惠斯登电桥差分放大器。
       平衡良好的惠斯登电桥差分放大器可用于电站的智能电网电力电路测量。它们也用于太阳能转换器,其中转换器的效率直接取决于使用高稳定电阻的电阻桥的平衡。
       精密和低噪声运放通常用于在传感器信号(如温度、压力、光线)进入ADC之前调节这些信号。在这种应用中,输入失调电压和输入电压噪声这两个特定的运放参数对于良好的系统分辨率至关重要。超高精度电阻的低失调和低噪声参数使其成为传感器接口和发送器的理想选择。
42-6-13_看图王.jpg图4:运放求和公式。
42-6-14_看图王.jpg图5:数模转换器。
       作为参考,高精度电阻用于数模转换器(DAC)输入也可实现更好的结果。通过高精度匹配电阻传递的数字信号使模拟信号输出的噪声和失真更小。Bulk Metal Foil技术的噪声等级为-40dB,使得这种电阻技术成为高端音频ADC/DAC电路中参考和增益电阻的理想方案。低噪声运放在航空电子设备、军用和航天(AMS)RFI设备(包括陀螺仪、GPS芯片组控制放大器和天线方向控制单元)中也非常关键。

◇湖北 朱少华 编译

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