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[经验] 超精密电阻在运算放大器电路中的应用

2018-8-10 14:03:51  442 精密电阻 运算放大器
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一些理想的运算放大器配置通常假设反馈电阻具有完美的匹配特性,而实际情况是电阻的非理想因素会影响各种电路参数如共模抑制比,谐波失真和稳定性。

       一个运算放大器是直流耦合高增益电子电压放大设备,通常具有差分输入和单端输出。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。

       精密放大器和模数转换器的实际表现并不能达到理想值的水准,因为电子元器件并非其规格书上所描述的那么完美。经过匹配的网络电阻的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那样充分适用于精密集成电路。

       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元器件。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,我们需要将补偿电压控制在30mV或以上。这还需要准确匹配片内电阻。

图一






反向运算放大器配置
       集成差分放大器充分利用了精密片内电阻的匹配和激光调阻技术。这些集成器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。
       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飘在热端或冷端仅0.05ppm/℃,两相邻电阻的跟踪温飘低于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(超精密电阻的一大特性)的电阻,可以避免温度差造成的阻值漂移。

       多种差分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通过以下公式得到:


CMRR=1/2(G+1)/Δ R/R (其中 G = 增益 [放大系数], R = 阻值 [欧姆])


       在差分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。
图 2


差分放大器




       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。

图3



惠斯通电桥差分放大器
       平衡后的惠斯通电桥差分放大器可用于发电厂智能电网的测量。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。
       精密低噪的运算放大器通常用于一个信号从传感器(如温度、压力、光)发出,且在进入模数转换器之前。该情况下,放大器的两个参数对于好的系统分辨率起着决定性作用:输入补偿电压和输入电压噪声。超精密电阻具有低补偿和低噪声的特性,使得设备成为理想的传感器接口和传讯器。

图4




运算放大器求和公式:



运算放大器求和

图五


数模转换器
       超精密电阻也非常适用于数模转换器的输入端。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频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、宇航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。

王栋春 2018-8-10 20:48:18
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