摘要：本文介紹了如何使用一個零漂移精密儀表放大器，一對rejustor (電動可調(diào)無源電阻)和增益設置電阻實現(xiàn)高精度增益設計的方法。文中以精密儀表放大器MAX4208為例，介紹了應用實例及結果。
概述
儀表放大器被廣泛用于各種應用。當儀表放大器連接到微弱差分信號輸出的傳感器時，儀表放大器需要提供高增益，而且要求高精度增益，并維持非常低的失調(diào)電壓。在某些條件下，傳感器輸出的差分信號只有幾個mV，而放大器增益需要高達1,000倍。
一些儀表放大器內(nèi)置增益調(diào)節(jié)電阻并有幾個固定增益設置可供選擇。但對設計靈活性要求較高，同時被放大的傳感器信號必須與模/數(shù)轉換器的滿量程相匹配時，設計人員更喜歡使用那些通過調(diào)節(jié)外部分壓電阻來設置增益的儀表放大器。這種情況下，需要注意：即使是最精確的儀表放大器也會因為外部增益設置電阻的誤差而影響放大器的性能。
本文介紹如何使用一個零漂移精密儀表放大器、一對rejustor和增益設置電阻實現(xiàn)高精度的應用設計。
增益可調(diào)儀表放大器
MAX4208是一款超低失調(diào)/漂移的精密儀表放大器。該器件采用所謂的間接電流反饋創(chuàng)新架構，配置成一對跨導放大器(圖1)和高增益模塊，由兩個外置電阻提供負反饋。放大器的輸出與差分輸入的關系由如下式確定：
VOUT = VIN × (1 + R2/R1)
其中，VIN = VIN+ - VIN-
這兩個跨導放大器從它們的差分輸入電壓生成輸出電流，并抑制共模輸入信號。負反饋確保兩個差分輸入相等。
圖1. MAX4208功能框圖
在整個溫度范圍內(nèi)能夠保持極高精度電阻是外部電阻的最佳選擇，但只能找到某些阻值的這一等級的電阻。因此，這樣的兩個電阻組合在一起，其阻值不一定恰好達到所要求的設定增益。此外，即使電阻可以實現(xiàn)準確的設定增益，其它電路的非線性或不匹配也可能引起實際增益與理論值的偏差。由此可見，實現(xiàn)高增益精度切實可行的方案是使用可調(diào)電阻。
MAX4208的超低增益誤差(+25°C時，典型值為±0.05%，最大值為±0.25%)會因為外部電阻誤差的影響而變差。因此，為了充分利用儀表放大器的精度，應選擇精度為0.25%或更高精度的外置電阻。然而，0.25%精度的電阻價格可能高于放大器本身的價格。
上述非可調(diào)電阻的問題(阻值不連續(xù)、電阻精度誤差較大)可以通過選擇rejustor (電動“調(diào)節(jié)”電阻)解決。
Rejustor
Microbridge®推出的Rejustor™元件是一款與VLSI和MEMS兼容的電動調(diào)節(jié)無源微電阻。它的非易失性意味著它不需要供電就能夠保存其設定值?？梢赃M行雙向、多次高精度調(diào)節(jié)(例如：0.1%至0.002%，取決于很多因素)。只需通過使用電信號加熱的方式，就可以調(diào)節(jié)多晶硅電阻的晶體結構，因而改變其電阻值。一旦調(diào)節(jié)完成，晶體結構會保持穩(wěn)定，直到再次被加熱使其阻值發(fā)生變化。rejustor還可與其它rejustor進行溫度系數(shù)匹配。此外，通過使用電信號，rejustor也能用來補償其它模擬電路器件的失調(diào)和溫度系數(shù)的變化。所有調(diào)節(jié)都可在封裝前或封裝后，在低電壓、低電流條件下完成。
Microbridge有一項稱為eTC Rejustor的改進技術。它是一套針對封裝后的溫度條件，實現(xiàn)無源、全模擬、電動調(diào)節(jié)溫度系數(shù)的解決方案。使用eTC Rejustor，每個電阻的阻值和電阻溫度系數(shù)(TCR)都能分別調(diào)整到目標值。大大提高了解決與溫度相關的各種問題的靈活性。例如，對放大器失調(diào)和溫度系數(shù)(TC)失調(diào)，可對其進行連續(xù)調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)可以在電路板完成組裝之后進行。因此，工程師可以一直等到設計中所有其它的參數(shù)變化和溫度敏感程度都彰顯之后，再進行最后的測試，一并補償各項累積變化和誤差。
Rejustor值可以至少在出廠設定值的30%范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。
測試數(shù)據(jù)
以下是兩個高增益儀表放大器MAX4028的試驗，一個試驗只使用rejustor，另一個試驗rejustor和電阻一同使用，可以得到明顯改善的高增益測試結果。
利用外置rejustor提供360倍的增益
在第一個測試電路中(圖2)，MAX4208由±2.5V雙電源供電，REF引腳接GND。增益設置電阻R1由兩個并聯(lián)的1kΩ rejustor組成(RJ1 = 1kΩ||1kΩ = 500Ω)。增益設置電阻R2由兩個串聯(lián)的90kΩ rejustor組成(RJ2 = 90kΩ + 90kΩ = 180kΩ)。此設計能提供大約361V/V的增益。由于生產(chǎn)誤差，實際測量的增益為350V/V。試驗中使用的rejustor是標準的低溫度系數(shù)電阻(TCR)、雙rejustor封裝形式：MBD903A (90kΩ × 2)和MBD102A (1kΩ × 2)，均為SO封裝(也提供QFN封裝)。
實驗裝置如下所示：
- 可容納兩個rejustor的ZIF插槽，易于更換rejustor
- MBK-408 trim-kit
- National Instruments的cDAQ和NI-9205 ADC
- Agilent的34420A 7&1/2數(shù)字納伏表
- 輸入基準電壓源，VINP = 4.118mV
- 筆記本電腦
圖2. MAX4208配合外置rejustor實現(xiàn)360V/V增益
為了說明調(diào)節(jié)的過程，電路增益通過以下步驟設置到360V/V：
- 將MAX4208輸入短路，測量輸入失調(diào)電壓。使用Agilent公司的34420A伏特表測量輸出，同時用NI-9205顯示測量結果。圖3顯示了輸出失調(diào)電壓，證明輸入失調(diào)電壓非常小，以µV為單位計量，可以忽略(VOS = VOUT/增益)。因此，可以忽略輸入失調(diào)電壓對隨后測量的影響。
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圖3. MAX4208測試系統(tǒng)的輸出偏置電壓
- 將±4.118mV (Agilent 34420A實測值)的基準電壓連接到MAX4208輸入端。增益設置為360V/V，期望輸出電壓為±1482.48mV：
VOUT = VIN × 增益 = ±4.118mV × 360 = ±1482.48mV
- 兩個rejustor均調(diào)節(jié)到目標值(7%預置)，再次測量輸出電壓。
圖4和圖5顯示所得到的增益誤差優(yōu)于0.1% (1.5mV輸出電壓失調(diào)對應百分比約為0.1%)。
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圖4. 與1482.48mV標稱輸出的偏差
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圖5. 與-1482.48mV標稱輸出的偏差
測試結果表明，在可調(diào)高增益應用中，并且使用標準rejustor替代價格昂貴且精度較低(要達到相同的性能指標，需要0.1%或更高精度的電阻)的電阻后，外圍電路不會影響儀表放大器MAX4208的精度。
利用外置rejustor和電阻提供1000倍的增益
第二個測試利用儀表放大器MAX4208提供1,000V/V增益，它與第一個測試的配置和測試設備類似，不同的是：
- 基準輸入電壓源，VINP = 1.826mV。
- 增益設置電阻R2由固定75kΩ電阻(0.1%)和標準的低TCR、10kΩ rejustor MBD103串聯(lián)而成。
- 增益設置電阻R1由一個固定91kΩ電阻(0.1%)和標準的TCR、1kΩ rejustor MBD102并聯(lián)而成。
電路如圖6所示。
圖6. MAX4208配合外置rejustor和電阻實現(xiàn)1000V/V增益
通過以下三個步驟，將電路增益設置到1,000V/V：
- 為了測量增益為1000V/V時，輸入失調(diào)和共模抑制比(共模電壓VCM = 1.25V)的影響，將MAX4208輸入短路。從圖7可以看出，輸出電壓VOUT非常小。因此，輸入失調(diào)電壓和共模抑制比的影響可以忽略不計。
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圖7. 第二個測試數(shù)據(jù)顯示輸出電壓很小，共模電壓抑制比和輸入失調(diào)電壓的影響可以忽略。
- 將±1.826mV (Agilent 34420A測量值)基準電壓連接到MAX4208的輸入端。若設定增益為1,000V/V，則理論輸出電壓為±1826mV。
- 兩個rejustor都調(diào)節(jié)到所要求的目標值，再次測量輸出電壓。
圖8和圖9截屏顯示增益誤差小于0.1% (2mV輸出失調(diào)電壓對應的百分比約為0.1%)。
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圖8. 與1826mV標稱輸出電壓的偏差
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圖9. 與-1826mV標稱輸出電壓的偏差
上述兩個測試采用標準的rejustor和電阻，測試數(shù)據(jù)證明：使用rejustor時，外圍元件不會降低儀表放大器MAX4208的精度。由于使用了固定電阻，rejustor的調(diào)節(jié)范圍只能在額定30%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。然而，電阻與rejustor一同使用，可以在整個溫度范圍內(nèi)提高放大器的性能和器件的長期穩(wěn)定性。這是因為電阻元件(例如：±20ppm/k)降低了rejustor相對較高的TCR (例如：±100ppm/k)。
結論
在一些應用中，儀表放大器需要放大非常小的信號，因為高精度(超低失調(diào)和增益誤差)和高增益至關重要。增益大小通常由外部阻性元器件確定，此類設計中利用rejustor可以獲得很好效果。Rejustor本身的靈活性可以確保非常精確的增益值。同時，要達到相同精度，使用rejustor比使用高精度電阻的成本更低。最后，rejustor即可以單獨用于大范圍調(diào)節(jié)增益的場合，也可以配合固定電阻使用，后者在溫度和穩(wěn)定性方面都可以達到最佳效果。
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