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应用于运算放大器中的精密匹配电阻网络

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发表时间:2021-02-22 09:44作者:考生帮来源:特约发布
  一些理想的运算放大器配置假设反馈电阻网络表现出完美匹配。在实践中,电阻器非理想性会影响各种电路参数,例如共模抑制比(CMRR),谐波失真和稳定性。例如,配置为将接地参考信号电平转换为2.5V共模的单端放大器需要良好的CMRR。假设CMRR为34dB且无输入信号,则该2.5V电平转换器的输出偏移为50mV,甚至可能超过12位ADC和驱动器的LSB和偏移误差。
  运算放大器,34dB是一个不太理想的CMRR。但是,无论运算放大器的功能如何,1%容差电阻的反馈网络都可将CMRR限制在34dB。高度匹配的电阻,例如LT5400提供的电阻,可提供0.01%,0.025%和0.05%匹配,确保设计人员能够接近或满足放大器数据手册规范。本设计笔记将LT5400与厚膜,0402,1%容差表面贴装电阻进行了比较。 CMRR,谐波失真和稳定性考虑用这些电阻用于LTC6362运算放大器周围的反馈。
共模抑制比
  为了在存在共模噪声的情况下获得精确测量,高CMRR是重要的。输入CMRR定义为差分增益(V OUT(DIFF) / V IN(DIFF))与输入共模到差分转换的比率(V OUT(DIFF) / V IN(CM))。

  在理想的单端和全差分放大器中,只有输入差分电平会影响输出电压。但是,在实际电路中,电阻不匹配会限制可用的CMRR。考虑该电路配置为将±10V信号衰减为±2V信号。使用具有2%匹配(1%容差)的典型表面贴装电阻,电阻器的最坏情况CMRR贡献为30dB。具有0.01%容差,0.02%匹配,电阻器的最坏情况CMRR贡献为70dB。 CMRR等式中的限制因素是:

  此表达式降低到典型电阻的电阻匹配率,但LT5400通过限制电阻对R1 / R2和R4 / R3之间的匹配,需要额外的步骤来提供改善的CMRR。通过将此等式定义为CMRR的匹配,LT5400提供的精度优于电阻匹配率。例如,LT5400A保证:
将最坏情况下的CMRR提高到82dB。
  电路的台架测试产生了50.7dB的CMRR(高电阻匹配)有限公差,电阻为1%,LT5400为86.6dB。在这种情况下,2.5V共模输入将使用1%厚膜电阻产生1.5mV的偏移,LT5400的偏移为23μV,因此适用于直流精度至关重要的18位ADC应用。
谐波失真
  在为精密应用选择电阻时,谐波失真也很重要。电阻上的大信号电压可能会根据尺寸和材料显着改变电阻。这个问题出现在许多基于芯片的电阻器中,并且随着电阻器功率水平的增加自然会变得更加严重。表1比较了基于高功率驱动和类似功率驱动的厚膜,通孔和LT5400电阻的失真。结果表明,对于给定的信号,LT5400比其他电阻类型的信号失真要小得多。
稳定性
  LT5400中电阻之间的分布电容模型。为了在LT5400中实现高精度匹配和跟踪,许多小型SiCr电阻器串联和并联配置。由于复杂的交错,LT5400电阻可以建模为一系列无穷小电阻,在相邻段之间以及各个段与裸露焊盘之间具有寄生电容。相比之下,没有紧密布局的典型表面贴装电阻通常表现出明显更小的寄生电容。
  当裸露焊盘接地时,可以减轻电阻器间电容的影响。然而,即使在裸露焊盘接地之后,该电容仍会通过形成总电阻乘以总电容的寄生极来影响电路稳定性。
  由于过冲与相位裕度成反比,因此最小化步长响应过冲是确保电路稳定性的好方法。未补偿的LT5400配置显示27%,而0402配置的过冲为17%。然而,在两种配置中,实现8%过冲所需的补偿电容大致相同:与LT5400相比为18pF; 15pF,带0402电阻。通过几乎相同的补偿,两个电路显示出类似的稳定特性。
结论
  精密放大器和ADC的实际性能通常难以实现,因为数据手册规格假设是理想的元件。精密匹配的电阻网络(例如LT5400提供的电阻网络)可实现精确匹配数量级,优于分立元件,确保精密IC满足数据手册规范。
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