降低精密放大器的電壓失調(diào)

時間：2010-03-05 13:45 作者： 來源：

精密放大器的電壓失調(diào)誤差一部分是由輸入偏置電流造 成的。本文對這一問題進行分析，并給出了基于電阻網(wǎng) 絡(luò)的解決方案，分別提供了分立和集成方案。分析結(jié)果表 明，集成電阻相比成本較高的分立方案具有更好的性能。 對于精密電子，放大電路必須滿足設(shè)計指標中的精度要 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源。因此， 我們首先考慮一個理想的運算放大器的簡化框圖(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) ：

圖1. 理想運算放大器簡化框圖。

引入有限的輸入阻抗可以使分析結(jié)果更接近實際情況， 此時運算放大器將存在一定的輸入偏置電流。我們在理想運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)，構(gòu)建模型(圖2)。

圖2. 圖1理想運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- x R2

解決問題

為了改進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 個負的偏壓：IBIAS+ x 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。

VIN = 0V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 = 0V，同相端作用的任何電壓都是該端和R3的漏 電流：

如果R3等于R1和R2并聯(lián)電阻，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和并聯(lián)電阻R1/R2需精確保持相等，以補償輸入偏 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中的精密運算放大器可以采用集成或分立電阻。

圖3. 圖2電路中加入補償電阻(R3)，抵消輸入偏置電流的影響。

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)。 電阻容差如表2所示。

需注意這些容差是在-40°C至+85°C整個工作溫度范圍能 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)。 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) 置電阻之間進行電子切換可以選擇所要求的系統(tǒng)增益。

圖4. 該精密放大器由精密電阻(MAX5421 IC)和通用的滿擺幅運算放大器(MAX4493)組成。

集成電阻的絕對阻值具有較大的誤差，但對這些電路中 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行匹配，則很難得到適當?shù)淖柚?，集成電阻則很容易達到匹配。 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。 電阻數(shù)據(jù)資料通常給出了初始誤差和溫度系數(shù)。由此我 們可以計算出在整個溫度范圍內(nèi)的最大誤差。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：

初始誤差：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：

為了達到與集成電阻運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遠高于MAX542x或MAX543x等器 件，這些器件集成了四個增益設(shè)置所需的電阻，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。

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