超精密電阻在運算放大器電路中的應用
作者：開步睿思 發表日期：2018-07-03 13:47:45
一些理想的運算放大器配置通常假設反饋電阻具有完美的匹配特性，而實際情況是電阻的非理想因素會影響各種電路參數如共模抑制比，諧波失真和穩定性。
一個運算放大器是直流耦合高增益電子電壓放大設備，通常具有差分輸入和單端輸出。在該配置里，運算放大器產生了一個輸出電位（相對于電路接地），遠大于輸入終端間的電位差。
精密放大器和模數轉換器的實際表現并不能達到理想值的水準，因為電子元器件并非其規格書上所描述的那么完美。經過匹配的網絡電阻的精確度遠遠優于未匹配的分立電阻，保證電阻性能如規格書上描述那樣充分適用于精密集成電路。
在電源方案單片集成電路的設計中，我們通常的做法是盡可能準確匹配內部元器件。例如，運算放大器的輸入晶體管需要精確匹配來提供低補償電壓。如果我們一定要在運算放大器中使用分立晶體管，我們需要將補償電壓控制在30mV或以上。這還需要準確匹配片內電阻。
圖一
反向運算放大器配置
集成差分放大器充分利用了精密片內電阻的匹配和激光調阻技術。這些集成器件的極佳共模抑制表現取決于精心設計的集成電路的準確匹配和溫度跟蹤。
最終的跟蹤增益通過使用密封封裝的配對（1:1比例）電阻來實現。這些超精密電阻的溫漂在熱端或冷端僅0.05ppm/℃，兩相鄰電阻的跟蹤溫漂低于0.1ppm/℃。為了實現最佳的跟蹤參數，必須使用具有極低絕對溫漂（超精密電阻的一大特性）的電阻，可以避免溫度差造成的阻值漂移。
多種差分電路的性能都取決于匹配電阻的性能。任何的不匹配都會造成共模誤差。共模抑制比是這種電路的一個重要衡量標準，因為它代表的是有多少冗余共模信號將在輸出端出現。電路中的共模抑制比可以通過以下公式得到：
CMRR=1/2(G+1)/Δ R/R (其中 G = 增益 [放大系數], R = 阻值 [歐姆])
在差分放大器中使用高匹配度的精密電阻是至關重要的，特別是在一些精密的醫療設備中，如電子掃描顯微鏡，血細胞計數儀和體內診斷探針。
圖 2
差分放大器
惠斯通電橋（或單臂電橋）電路應用非常廣泛，如今在現代運算放大器中，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。惠斯通電橋電路就是在電源端和接地間兩個簡單的電阻串并聯，當電橋達到平衡時兩個并聯分路間產生零壓差。
惠斯通電橋有兩個輸入端和兩個輸出端，包括如圖中四個排列如鉆石形狀的電阻。這是典型的惠斯通橋的畫法。當與運算放大器一起使用時，惠斯通橋可用于測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的薄膜電阻要精確的多。因為四個電阻都是主動的，它們的匹配和穩定性對于電橋平衡起著至關重要的作用。
圖3
惠斯通電橋差分放大器
平衡后的惠斯通電橋差分放大器可用于發電廠智能電網的測量。也可用于太陽能轉換器，它的工作效率直接取決于使用高穩定性電阻的電橋平衡性。
精密低噪的運算放大器通常用于一個信號從傳感器（如溫度、壓力、光）發出，且在進入模數轉換器之前。該情況下，放大器的兩個參數對于好的系統分辨率起著決定性作用：輸入補償電壓和輸入電壓噪聲。超精密電阻具有低補償和低噪聲的特性，使得設備成為理想的傳感器接口和傳訊器。
圖4
運算放大器求和公式:
運算放大器求和
圖五
數模轉換器
超精密電阻也非常適用于數模轉換器的輸入端。數字信號通過匹配的超精密電阻制造更低的噪聲，減少輸出模擬信號的失真。金屬箔技術的噪聲水平為-40dB，使得箔技術電阻成為高端音頻模數轉換和數模轉換電路中參照電阻和增益電阻的理想選擇。低噪運算放大器在航空電子、軍工、宇航領域的射頻干擾設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。