用于精密放大器應(yīng)用的匹配電阻網(wǎng)絡(luò)

一些理想的運(yùn)算放大器配置假設(shè)反饋電阻表現(xiàn)出完美匹配。實(shí)際上，電阻非理想性會(huì)影響各種電路參數(shù)，例如共模抑制比（CMRR）、諧波失真和穩(wěn)定性。例如，如圖1所示，配置為將以地為參考信號(hào)電平轉(zhuǎn)換至2.5V共模的單端放大器需要良好的CMRR。假設(shè)CMRR為34dB且無(wú)輸入信號(hào)，這款2.5V電平轉(zhuǎn)換器的輸出失調(diào)為50mV，甚至?xí)旱?2位ADC和驅(qū)動(dòng)器的LSB和失調(diào)誤差。

圖1.用作電平轉(zhuǎn)換器的單端運(yùn)算放大器

對(duì)于運(yùn)算放大器，34dB的CMRR不太理想。但是，無(wú)論運(yùn)算放大器的能力如何，1%容差電阻的反饋網(wǎng)絡(luò)都會(huì)將CMRR限制在34dB。高度匹配的電阻器（例如 LT5400 提供的電阻器）提供 0.01%、0.025% 和 0.05% 匹配，確保設(shè)計(jì)人員能夠接近或滿足放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)的規(guī)格。本設(shè)計(jì)筆記比較了 LT5400 與厚膜、0402、1% 容差的表面貼裝電阻器。這些電阻器考慮了CMRR、諧波失真和穩(wěn)定性，以提供LTC6362運(yùn)放周圍的反饋，如圖2所示。

圖2.全差分運(yùn)算放大器配置為V電壓外/V在= 0.2

共模抑制比

為了在存在共模噪聲的情況下獲得精確的測(cè)量結(jié)果，高CMRR非常重要。輸入CMRR定義為差分增益之比（V輸出（差異）/V在（差異）） 到輸入共模到差分轉(zhuǎn)換 （V輸出（差異）/V英寸（厘米）).

在理想的單端和全差分放大器中，只有輸入差分電平會(huì)影響輸出電壓。然而，在實(shí)際電路中，電阻失配限制了可用的CMRR?？紤]將此電路配置為將±10V信號(hào)衰減為±2V信號(hào)。使用匹配度為2%（容差為1%）的典型表面貼裝電阻器，電阻器在最差情況下的CMRR貢獻(xiàn)為30dB。在0.01%容差和0.02%匹配的情況下，電阻的最差情況下CMRR貢獻(xiàn)為70dB。CMRR方程中的限制因素是：

此表達(dá)式簡(jiǎn)化為典型電阻器的電阻匹配比，但 LT5400 采取了一個(gè)額外的步驟，通過(guò)限制電阻對(duì) R1/R2 和 R4/R3 之間的匹配來(lái)提供改進(jìn)的 CMRR。通過(guò)將這個(gè)公式定義為 CMRR 的匹配，LT5400 提供了優(yōu)于電阻器匹配比的準(zhǔn)確度。例如，LT5400A 保證：

將最壞情況下的CMRR提高到82dB。

該電路的臺(tái)架測(cè)試得出了 50.7dB （高度電阻匹配限制） （采用 1% 容差電阻器）和 86.6dB （采用 LT5400）。在這種情況下，一個(gè) 2.5V 共模輸入將產(chǎn)生一個(gè) 1.5mV 的失調(diào)（采用 1% 厚膜電阻器）和一個(gè) 23μV 的失調(diào)（采用 LT5400）時(shí)，因而適合于直流準(zhǔn)確度至關(guān)重要的 18 位 ADC 應(yīng)用。

諧波失真

在為精密應(yīng)用選擇電阻器時(shí)，諧波失真也很重要。電阻器兩端的大信號(hào)電壓可能會(huì)顯著改變電阻，具體取決于尺寸和材料。這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)在許多基于芯片的電阻器中，并且隨著電阻器功率電平的增加而自然變得更加嚴(yán)重。表 1 比較了基于高功率驅(qū)動(dòng)和類似功率驅(qū)動(dòng)的厚膜、通孔和 LT5400 電阻器的失真。結(jié)果表明，對(duì)于給定信號(hào)，LT5400 對(duì)信號(hào)的失真遠(yuǎn)小于其他電阻器類型。

穩(wěn)定性

圖 3 示出了 LT5400 中電阻器之間的分布電容模型。為了實(shí)現(xiàn) LT5400 中的高精度匹配和跟蹤，許多小型 SiCr 電阻器都采用串聯(lián)和并聯(lián)方式。由于復(fù)雜的叉，LT5400 電阻器可建模為一系列無(wú)窮小電阻器，在相鄰段之間以及各個(gè)段與裸露焊盤之間具有寄生電容。相比之下，典型的表面貼裝電阻器，如果沒(méi)有緊湊的布局，通常寄生電容明顯較低。

圖3.匹配電阻IC中分布電容的簡(jiǎn)單模型。R′ 分量的總和產(chǎn)生一個(gè)等效的單個(gè)電阻器。C′的凈效應(yīng)國(guó)米為1.4pF和C'的凈效應(yīng)暴露為 5.5pF

當(dāng)裸露焊盤接地時(shí)，電阻間電容的影響可以減輕。然而，即使在將裸露焊盤接地后，該電容仍然會(huì)通過(guò)形成總電阻乘以總電容的寄生極來(lái)影響電路穩(wěn)定性。

由于過(guò)沖與相位裕量成反比，因此最小化階躍響應(yīng)過(guò)沖是確保電路穩(wěn)定性的好方法。與0402配置的17%相比，未補(bǔ)償?shù)腖T5400配置表現(xiàn)出27%的過(guò)沖。然而，實(shí)現(xiàn) 8% 過(guò)沖所需的補(bǔ)償電容器在兩種配置中大致相同：LT5400 為 18pF;15pF，帶 0402 電阻。在幾乎相同的補(bǔ)償下，兩個(gè)電路表現(xiàn)出相似的穩(wěn)定性特性。

結(jié)論

精密放大器和ADC的實(shí)際性能通常難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格假定是理想元件。精心匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)（例如 LT5400 提供的電阻網(wǎng)絡(luò)）可實(shí)現(xiàn)比分立元件高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的精密匹配，從而確保滿足精準(zhǔn) IC 的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格。

審核編輯：郭婷