匹配的電阻器最大限度地提高放大器的性能

　　運算放大器是模擬設計師使用最多的器件，他們用運算放大器抽取、調整、轉換、緩沖、合并、過(guò)濾和調理真實(shí)世界的信號。就需要高精確度和高穩定性的應用而言，設計師會(huì )仔細考慮輸入失調電壓、噪聲、帶寬等性能規格，并選擇能實(shí)現必要性能的運算放大器。誤差往往會(huì )疊加，因此選擇數據轉換器、電壓基準等放大器之后的其他組件時(shí)，也要格外注意。盡管這一點(diǎn)很重要，不過(guò)設計師還必須小心，千萬(wàn)不能忽視放大器之前及其周?chē)M件的準確度之影響，尤其是電阻器。

　　電阻器匹配度影響系統準確度

　　以下所示電路采用了 4 個(gè)電阻器和一個(gè)運算放大器，以構成一個(gè)傳統的差分放大器?！?/p>

Difference Amplifier：差分放大器

　　輸出電壓由電阻器的比率決定：
       
　　從以上公式我們可以看到，在這個(gè)例子中，就決定放大器電路的性能而言，電阻器的匹配比電阻器的絕對準確度重要。如果 R1 和 R2 成正比變化，那么增益將保持不變。如果一個(gè)電阻器相對于另一個(gè)電阻器有變化，那么 R1 與 R2 的比率就有變化，這樣增益就一定會(huì )變化。在精確分壓器、精確增益級和橋式電路等常用的比例電路中，情況也是這樣。在以下討論中，將針對 3 種類(lèi)型的電阻器探討電阻器失配對性能的影響：精確的分立式電阻器、傳統匹配電阻器陣列、和新的精確匹配薄膜電阻器系列 LT5400。

　　在上圖所示的差分放大器等精確應用中，將需要比標準 1% 電阻好的電阻器。讓我們從考慮高 10 倍準確度 (即 0.1%) 的電阻器開(kāi)始。在室溫時(shí)，每個(gè)電阻器都可能相對于其標稱(chēng)值在 -0.1% 至 +0.1% 的范圍內變化，那么兩個(gè)電阻器最差的匹配度是 ±0.2% [ 即 (1+0.001) / (1-0.001) = 1.002] 或 2000ppm，或 9 位準確度。隨著(zhù)溫度變化，匹配會(huì )成為一個(gè)更大的問(wèn)題。大多數電阻器制造商規定了一個(gè)獨立于容限性能規格的溫度系數。在這個(gè)例子中使用了準確度為 0.1% 的電阻器可能有 25ppm/°C 的溫度系數。在 0°C 至 70°C 的范圍內，誤差結果高于 3000ppm。這種誤差會(huì )轉變成放大器電路的增益誤差，而且其中未包括運算放大器本身的非理想性或信號鏈路中其他誤差源所引起的誤差。

　　如果需要更高的準確度，那么可能需要選擇更精確的 0.01% 容限之電阻器，不過(guò)要實(shí)現最佳性能，應該使用精確匹配的電阻器陣列。電阻器陣列由包含在單個(gè)封裝中的多個(gè)電阻器組成，其中的電阻器往往隨著(zhù)溫度變化相互跟蹤。例如，一個(gè) 0.01% 容限的電阻器陣列可能有 ±2ppm/°C 的比率溫度系數，從而在 0°C 至 70°C 的范圍內引起 190ppm 的誤差。這相對于分立式 0.1% 電阻器的情況有了顯著(zhù)改善。

　　如果還需要更高的精確度，就可以使用凌力爾特公司新的精確匹配電阻器系列 LT5400。該系列器件運用了周密的布局方法，以便 4 個(gè)薄膜電阻器中的每一個(gè)都是平衡的，而且共用同一個(gè)中央點(diǎn)。LT5400 采用小型、表面貼裝封裝，具有 ±75V 的工作電壓。每個(gè)封裝都包括了 4 個(gè)電阻器，并提供不同的標稱(chēng)電阻值，R1/R2 的比率分別為 1、5 和 10，未來(lái)將提供更多選項 (參見(jiàn)表 1)。封裝底部一個(gè)大的裸露焊盤(pán)為所有 4 個(gè)電阻器提供一致的熱條件，該焊盤(pán)在功率消耗很大時(shí)，還最大限度地減小了內部的上升溫度。這種設計確保所有 4 個(gè)電阻器都有相同的工作環(huán)境。LT5400 隨溫度變化提供好于 0.01% 的電阻器至電阻器匹配、1ppm/°C 的匹配溫度漂移、以及在 2000 小時(shí)以后不到 2ppm 的長(cháng)期穩定性誤差。因此，該器件在 0°C 至 70°C 的范圍內實(shí)現了 100ppm 的匹配誤差 (表 2)。它在更寬的 -50°C 至 150°C 溫度范圍內保持了卓越的性能。LT5400 隨時(shí)間變化時(shí)也非常穩定。它在 2000 小時(shí)時(shí)顯示了不到 2ppm 的變化。