精密放大器基于集成电阻网络产生失调的解决方案

对于精密电子，放大电路必须满足设计指标中的 要求。设计这些放大器时所面临的一个问题是：流入放大器输入端的电流所产生的电压失调。本文中，我们首先分析了产生失调的原因，并基于集成电阻网络给出了相应的解决方案。

问题分析

在试图解决问题前，我们需要先了解问题的起因。因此，我们首先考虑一个理想运算放大器的简化电路(图 1)。

图 1. 理想运算放大器简化电路

很多一年级学生都非常熟悉该电路的分析(假设放大器输入电流为零)：

引入有限的输入阻抗可以使分析结果更接近实际情况，此时运算放大器将存在一定的输入偏置电流。我们在理想运算放大器的每个输入端增加一个电流源来interwetten与威廉的赔率体系 这一效应(图 2)。

图 2. 图 1 理想运算放大器的电流源模型，模拟输入偏置电流。

为了分析每个电流源的影响，假设 VIN = 0V。假设 VIN 阻抗小于公式中的其它阻抗，IBIAS+将旁路到地，不会产生任何影响。由于 VIN = 0V，V- 也等于 0V。此外，由于 R1 两端电位相同，为 0V 电位，分析中可忽略。这样，我们很容易得到由于输入偏置电流(IBIAS-)和反馈电阻(R2)所产生的输出失调(VOUT)：

解决问题

为了改进电路我们增加一个电阻(图 3 中的 R3)，需要验证这一外加电阻的影响，该电阻会在同相端输入引入一个负的偏压：IBIAS+ × R3。由此可以通过调节 R3 消除偏置电流对反相端输入的影响。当然，合理的选择是将同相端与反相端输入的偏置电流调整到近似相等。

图 3. 图 2 电路中加入补偿电阻(R3)，抵消输入偏置电流的影响。

时，注意到我们在电路中叠加了一个电压，可以很容易得到 VOUT，即，输出电压等于同相端电压乘以电压增益，加上由于反相端输入漏电流产生的失调。因为 VIN = 0，同相端作用的任何电压都是该端和 R3 的漏电流：

如果 R3 等于 R1 和 R2 并联，将抵消输入偏置电流所产生的电压。对于经常采用这一威廉希尔官方网站 的精密应用，应按照以下原则选择电阻：

比值必须具有较高 ，以设置高 增益。

与 R1 和 R2 并联电阻需 保持相等，以补偿输入偏置电流引入的误差。

这些电阻应保持相同的温度特性。

图 3 中的精密运算放大器可以采用集成或分立电阻。

VIN = 0时，注意到我们在电路中叠加了一个电压，可以很容易得到VOUT，即，输出电压等于同相端电压乘以电压增益，加上由于反相端输入漏电流产生的失调。因为VIN = 0，同相端作用的任何电压都是该端和R3的漏电流：

如果R3等于R1和R2并联，将抵消输入偏置电流所产生的电压。对于经常采用这一威廉希尔官方网站 的精密应用，应按照以下原则选择电阻：

R2/R1比值必须具有较高精度，以设置高精度增益。

R3与R1和R2并联电阻需精确保持相等，以补偿输入偏置电流引入的误差。

这些电阻应保持相同的温度特性。

集成电阻

MAX5421 （作为一个例子）内置15kΩ电阻，采用+5V或-5V供电；类似器件MAX5431内置57kΩ电阻，采用+15V或-15V供电。这些器件不仅包括精密的集成电阻，还可以在不同电阻间切换。利用电阻设置运算放大器的增益时，可以将增益设置在1、2、4和8之间。

器件的数据资料显示它们在电阻比为2、4、8的电阻对节点具有恒定电阻。电阻比为1时，节点仅等效为一个低阻。因此，所有比例下匹配电阻应等于抽头电阻（表1）。

表1. MAX5421/MAX5431分压器匹配电阻设置

电阻容差如表2所示。

表2. MAX5421/MAX5431分压电阻容差

需注意这些容差是在整个-40°C至+85°C工作温度范围能够保证的最大值，从而保证了高精度增益容限。图4给出了典型的集成电阻设计（一个精密放大器）。

图4. 该精密放大器由精密电阻（MAX5421 IC）和通用的满摆幅运算放大器（MAX4493）组成。

MAX5421或MAX5431集成电阻芯片的主要威廉希尔官方网站 优势在于电阻之间的匹配度和一致的温度特性。通过在增益设置电阻之间进行电子切换可以选择所要求的系统增益。

集成电阻的绝对阻值具有较大的误差，但在这些电路中不会造成任何影响，因为增益值取决于电阻比的精度，可以保证在±0.025%以内。如果使用外部电阻进行匹配，则很难得到适当的阻值，集成电阻则很容易达到匹配。集成电阻可以由工厂调整，保证增益设置电阻具有一致的温度特性。R1和R2的误差还会影响R3，R3应该与R1和R2的并联阻值保持相同。

如果系统中不需要R3，利用数字编程的精密电阻分压器MAX5420和MAX5430可以降低系统成本。这些器件具有与MAX5421和MAX5431相同的性能，但不包含匹配电阻。对于固定增益应用，可以采用MAX5490、MAX5491和MAX5492电阻分压器，该系列器件只包括一路固定增益电阻对，不含匹配电阻。

分立电阻方案

我们现在转向用分立元件设置增益的方案，并对该方案进行分析。分立电阻对不仅需要具有±0.025%的比例容差，还必须在整个温度范围内将变化率保持在容限以内。实际上，这意味着每个电阻必须具有0.0125%的容差。电阻的数据资料通常给出了初始容差和温度系数。由此我们可以计算出在整个温度范围内的最大容差。下面给出的例子基于具有低温度系数的超高精度分立电阻：

初始容差：0.005%

温度系数：2ppm

工作温度范围：-40°C至+85°C

因此，在整个工作范围内电阻容差为：

为了达到与采用集成电阻的运算放大器方案相同的增益精度，必须使用上述超高精度电阻。虽然可以得到这样的分立电阻，但成本非常昂贵，每个电阻的价格在几个美元左右。即使降低对输入失调匹配的要求，为了达到与集成电阻方案接近的性能，分立元件的成本也很难接受。一对电阻的成本要远远高于MAX542x或MAX543x （示例器件），这些器件集成了四种增益设置所需的全部电阻，另外还包括匹配电阻和切换增益设置所需的全部开关和逻辑电路。

结论

我们分析了由于输入偏置电流所造成的电压失调误差。经过对分立和集成电阻两种方案的比较，可以看出，采用集成电阻能够获得优于昂贵的分立方案的性能。

编辑：hfy