低溫漂移的耦合電阻對許多精密模擬電路至關重要。

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。

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"--許多精密應用需要達到0.1%甚至0.01%的性能。

問:對大多數(shù)設計來說,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力和電路板的不可見運動而略微改變值,這可能導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移,這將導致它們的比例發(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。

這種橋拓撲結構用于諸如應變表或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置的準確性。

問:這些與收益相關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%的匹配電阻將導致74分貝CMRR。

前面關于匹配、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) 將研究供應商開發(fā)的不同方式,以提供高精度,低TCR和匹配跟蹤電阻。