運(yùn)算放大器是直流耦合高增益電子電壓放大設(shè)備，通常具有差動(dòng)輸入和單端輸出。在該配置里，運(yùn)算放大器產(chǎn)生了一個(gè)輸出電位（相對(duì)于電路接地），遠(yuǎn)大于輸入終端間的電位差。一些理想的運(yùn)算放大器配置通常假設(shè)回饋電阻具有完美的匹配特性，但實(shí)際上電阻的非理想因素會(huì)影響各種電路參數(shù)，例如共模抑制比，諧波失真和穩(wěn)定性。

 

精密放大器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實(shí)際表現(xiàn)常不能達(dá)到理想值的水平，因?yàn)殡娮咏M件并非其規(guī)格書上所描述的那么完美。因此，審慎選擇電阻將是決定放大器、轉(zhuǎn)換器等組件性能是否能如預(yù)期般發(fā)揮的關(guān)鍵。經(jīng)過匹配的網(wǎng)絡(luò)電阻精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未匹配的分立電阻，保證電阻性能如規(guī)格書上描述，可以適用于精密集成電路。

 

 

在電源方案單片集成電路的設(shè)計(jì)中，我們通常的做法是盡可能準(zhǔn)確匹配內(nèi)部組件。例如，運(yùn)算放大器的輸入晶體管需要精確匹配來提供低補(bǔ)償電壓。如果我們一定要在運(yùn)算放大器中使用分立晶體管，便須將補(bǔ)償電壓控制在30mV或以上，并準(zhǔn)確匹配片內(nèi)電阻。

 

整合差動(dòng)放大器充分利用了精密片內(nèi)電阻的匹配和激光調(diào)阻技術(shù)（圖1、圖2）。這些整合組件的極佳共模抑制表現(xiàn)取決于精心設(shè)計(jì)的集成電路的準(zhǔn)確匹配和溫度跟蹤。

 

圖1　反向運(yùn)算放大器配置

 

圖2　差動(dòng)放大器電路示意圖與輸出等式

 

最終的跟蹤增益通過使用密封封裝的配對(duì)（1:1比例）電阻來實(shí)現(xiàn)。這些超精密電阻的溫度飄移在熱端或冷端僅0.05ppm/℃，兩相鄰電阻的跟蹤溫度飄移低于0.1ppm/℃。為了實(shí)現(xiàn)最佳的跟蹤參數(shù)，必須使用具有極低絕對(duì)溫飄（超精密電阻一大特性）的電阻，可以避免溫度差造成的阻值漂移。

 

多種差動(dòng)電路的性能都取決于匹配電阻的性能。任何的不匹配都會(huì)造成共模誤差。共模抑制比是這種電路的一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗淼氖怯卸嗌偃哂喙材Ｐ盘?hào)將在輸出端出現(xiàn)。電路中的共模抑制比可以透過以下公式得到：

 

CMRR=1/2（G+1）/ΔR/R

 

G為增益放大系數(shù)，R為阻值，單位是奧姆。

 

在差動(dòng)放大器中使用高匹配度的精密電阻是至關(guān)重要的，特別是在一些精密的醫(yī)療設(shè)備中，如電子掃描顯微鏡、血細(xì)胞計(jì)數(shù)儀和體內(nèi)診斷探針。

 

 

惠斯通電橋（或單臂電橋）電路應(yīng)用非常廣泛，如今在現(xiàn)代運(yùn)算放大器中，我們可以將惠斯通電橋電路與各種傳感器連接。不同于將一個(gè)未知阻值與已知阻值相比，惠斯通電橋在電路中有很多用法?；菟雇姌螂娐肪褪窃陔娫炊撕徒拥亻g兩個(gè)簡(jiǎn)單的電阻串并聯(lián)，當(dāng)電橋達(dá)到平衡時(shí)兩個(gè)并聯(lián)分路間產(chǎn)生零壓差。

 

惠斯通電橋有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，包括如圖3中四個(gè)排列如鉆石形狀的電阻。這是典型的惠斯通橋的畫法。當(dāng)與運(yùn)算放大器一起使用時(shí)，惠斯通橋可用于測(cè)量和放大阻值的輕微變化。使用超精密電阻令電橋平衡比使用常規(guī)的薄膜電阻要精確的多。因?yàn)樗膫€(gè)電阻都是主動(dòng)的，它們的匹配和穩(wěn)定性對(duì)于電橋平衡起著至關(guān)重要的作用。

 

圖3　惠斯通電橋差動(dòng)放大器

 

平衡后的惠斯通電橋差動(dòng)放大器可用于發(fā)電廠智慧電網(wǎng)的測(cè)量。也可用于太陽能轉(zhuǎn)換器，它的工作效率直接取決于使用高穩(wěn)定性電阻的電橋平衡性。

 

 

精密低噪的運(yùn)算放大器通常用于將傳感器（如溫度、壓力、光）發(fā)出的訊號(hào)放大，隨后再將訊號(hào)送入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在這類應(yīng)用情況下，放大器的輸入補(bǔ)償電壓和輸入電壓噪聲參數(shù)對(duì)系統(tǒng)分辨率高低起著決定性作用。超精密電阻具有低補(bǔ)償和低噪聲的特性，可以讓放大器成為理想的傳感器接口（圖4）。

 

圖4　以運(yùn)算放大器作為傳感器接口

 

超精密電阻也非常適用于數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的輸入端（圖5）。數(shù)字信號(hào)通過匹配的超精密電阻制造更低的噪聲，減少輸出模擬信號(hào)的失真。金屬箔技術(shù)的噪聲水平為-40dB，使得箔技術(shù)電阻成為高端音訊模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中參照電阻和增益電阻的理想選擇。低噪運(yùn)算放大器在航空電子、軍工、航天領(lǐng)域的射頻干擾設(shè)備中起著決定性作用，包括陀螺儀、GPS芯片控制放大器和天線定向控制單元。

 

圖5　以精密電阻做為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的輸入端

 

 

運(yùn)算放大器是許多電路設(shè)計(jì)都會(huì)使用到的組件，其實(shí)際性能表現(xiàn)往往與電阻的特性密切相關(guān)。本文以幾種常見的運(yùn)算放大器應(yīng)用為例，解釋電阻的特性如何影響運(yùn)算放大器性能表現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用開發(fā)者進(jìn)行相關(guān)電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意電阻的匹配與電阻本身的穩(wěn)定性，以確保電路的性能表現(xiàn)能合乎預(yù)期。

 

（本文作者Victor Chertakovsky/Kai Karstensen任職于威世，李斐盈任職于深圳市開步電子）