對于精密電子，放大電路必須滿足設(shè)計指標(biāo)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因。因此，我們首先考慮一個理想運算放大器的簡化電路(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)：

 

公式 1

 

整理后得到：

 

公式 2

 

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)(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- × R2

 

解決問題

為了改進(jìn)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(fù)的偏壓：IBIAS+ × 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(dāng)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。

 

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。

 

VIN = 0 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 = 0，同相端作用的任何電壓都是該端和 R3 的漏電流：

 

公式 3

 

如果 R3 等于 R1 和 R2 并聯(lián)，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 與 R1 和 R2 并聯(lián)電阻需精確保持相等，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。

 

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)。

 

表 1. MAX5421/MAX5431 分壓器匹配電阻設(shè)置

 

 

電阻容差如表 2 所示。

 

表 2. MAX5421/MAX5431 分壓電阻容差

 

 

需注意這些容差是在整個 -40°C 至+85°C 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)。

 

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。

 

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(jìn)行電子切換可以選擇所要求的系統(tǒng)增益。

 

集成電阻的絕對阻值具有較大的誤差，但在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(jìn)行匹配，則很難得到適當(dāng)?shù)淖柚?，集成電阻則很容易達(dá)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(jìn)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。電阻的數(shù)據(jù)資料通常給出了初始容差和溫度系數(shù)。由此我們可以計算出在整個溫度范圍內(nèi)的最大容差。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：

 

初始容差：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(dá)到與采用集成電阻的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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于 MAX542x 或 MAX543x (示例器件)，這些器件集成了四種增益設(shè)置所需的全部電阻，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。