使用匹配电阻的原因和方法，第1部分

低温漂移的耦合电阻对许多精密模拟电路至关重要。

在模拟信号链中实现高性能、高精度和一致性需要注意微妙的细节。在许多情况下,这些细节包括诸如电阻器等无源元件的绝对精度,以及由于老化、机械应力,特别是温度变化而对元件特性产生的更微妙的影响。

这个常见问题对两个重要的考虑提供了一些观点:1)精确电阻的"为什么"和2)供应商制造它们的各种方法的"如何",重点放在所谓的"匹配电阻"上。"这是另一个例子,从近200年前开始,聪明而有见地的电力和电子"实验者"设计了拓扑,以抵消不可避免的组件缺陷和电路缺陷的影响。注:在这方面,"匹配"一词与射频阻抗和阻抗匹配完全不同,而且与它的使用无关。

什么是匹配的电阻?

A: 在许多模拟电路中,成对配置的多个电阻的准确电阻值并不像它们的相对比率那么重要。虽然许多情况下,这些电阻对有两个相同标称值(1:1比率)的电阻,也有许多情况下,他们有不同的临界值,如10:1,必须保持这个比率,以准确和一致的电路性能。即使电阻是不平等的,它们仍然经常被指定为"匹配",因为这是重要的比率匹配。

图1基于电阻的分压器是一个简单的例子,其中一个比而不是实际的分量值的临界参数。

问:你能举个例子说明哪里需要匹配的一对吗?

A: 最简单的例子是分压器,它把一个较大的值分成一个较小的( 图1 )。这种安排通常被用来减弱信号在放大器的输入范围内。

输出电压很容易确定:V 在外面 = R 2 /(R 1 +R 2 ) × V 在…中 .输出的准确性不是电阻的绝对值的函数,而是它们相对于彼此的相对比率的函数。由于这个原因,这种排列被称为关系式拓扑。

注意,如果两个电阻值相同,那么V 在外面 = ½ V 在…中 .这是一个清楚和明显的例子,说明比率在哪里重要,而不是实际价值。

问:需要多少比例的准确性?

A: 答案是通常的:视情况而定。在许多情况下,1%的表现通常是最低要求。但是--这是一个很大的"但是"--许多精密应用需要达到0.1%甚至0.01%的性能。

问:对大多数设计来说,性能达到1%似乎足够精确;为什么0.1%或0.01%是需要的?

A: 原因有二:

一,该系统可用于精密测量,如实验室实验或测试.此外,有些测量在一定范围内是非常重要的。例如,如果你正在评估一个标称的3-V电池的健康和充电状态,你不需要在电池低的时候,例如在两伏的时候,高精度,但是你可能需要一致性、精确性和围绕满充电值的准确性,以知道何时停止充电和有可能造成过度充电损坏。

二是在整个信号链错误预算中必须考虑到电阻问题引起的任何读取错误。作为这一预算分析的一部分,经常需要尽可能减少错误,并保持在最大允许错误限度以下。使用匹配的电阻可能是一个相对简单的方法,让您的设计有更多的空间来处理这些其他错误。

问:一旦你选择了正确值或比率的电阻,你应该担心什么?

A: 有很多要担心的。首先,电阻器可能"老化"使用,通常是由于其耗散的热量和环境加热。它们也可能由于安装时的机械应力和电路板的不可见运动而略微改变值,这可能导致电阻值的轻微变化。如果两个匹配的电阻产生不同的压力,他们可能转移从其初始值的不同百分比。它们甚至可能向不同的方向转移,这将导致它们的比例发生更大的变化。

问:温度怎么样?

A: 温度引起的电阻变化是匹配电阻的最大潜在误差来源。您可以购买或选择具有匹配值的电阻器,但这些值会因温度变化而改变,单个电阻器的漂移不一定按比例相互跟踪。

问:不稳定分压器是唯一受配位电阻比变化影响的安排吗?

A: 一点也不。广泛使用和著名的惠斯通桥是另一个很好的模型( 图2 ).

图2惠斯通桥是在精密测量电路中使用比率取消单个误差源的早期例子。

这种桥拓扑结构用于诸如应变表或LVDS等传感器的灵敏度测量。它的主要优点是它可以消除电阻中的绝对误差,只要你在桥的"臂"中保持比率;实际上,电阻的实际值不需要知道。这使你能够精确测量一个未知的电阻,如应变表,因为未知的手臂的电阻变化相同。

问:是否有其他情况影响电阻失配和比率变化?

A: 当然了。首先,有一个被配置为逆变放大器的基本版放大器( 图3 ).

图3在其经典的配置中,一个逆变的输出放大器的增益是由反馈率和输入电阻的比率决定的。

增益仅是反馈电阻R比率的函数 f 输入电阻R 我 ;稍有不同的排列方式,但有相同的比率依赖关系,可不产生反向增益。显然,该比率的任何变化都会影响增益设置的准确性。

问:这些与收益相关的情况是否是唯一需要维持住宅区匹配比率的情况?

A: 不,还有别的。一个重要的例子是电阻匹配对共模排斥比的影响。

问:什么是遗留集束弹药,为什么我们关心它?

A: 考虑一下在静态直流信号上有一个小的变化信号的情况。这方面的一个常见情况是系列电池组中的最后电池或顶级电池组。所面临的挑战是精确测量电池电压V n 其他细胞的存在( 图4 ).

图4共模电压通常是由大直流电压引起的,在多细胞串联排列中,感兴趣的电压作为一个小值,是单个电池测量中的常见情况。

如果你用标准的差速器配置将任何放大器(OPAMP)电路连接到上电池的正负端子,你会看到电池的小电压。然而,它将从地面上被先前电池的大直流值所抵消。你可能会在几十伏的电压上寻找几毫伏的精确度。

图5电阻失配降低了差动放大器的常见模式排斥比.

问:那么,可以做什么呢?

A: 这种更大的电压在电池的正极和负极都很常见,被称为共模电压(CMV)。理论上,在差动安排中使用放大器将抵消共模电压,只放大差( 图5 ).

这是一个理想的论坛。正极放大器不理想,其性能受普通模式电压的影响。它的能力是以它的CMR为特征的,并以分贝(db)表示。典型的情况是,运算放大器的CMRR可以从30分贝到80分贝甚至更高。

问:这与电阻匹配和电阻值的波动有什么关系?

A: 如果不深入分析这些公式和分析,差动拓扑中的电阻失配将使CMRR的降解超过了该输出放大器本身提供的CMRR。评估遗留集束弹药风险的简化公式是:

CMRR (dB) = 20 log [0.5 × (1 + G/(ΔR/R)]

当G是R的名义值时 1 /R 2, 而它是电阻比匹配误差。

问:失配如何影响cmrr?

A: 由于1%不匹配,CMRR将是34分贝(不太好);由于有0.1%的电阻,它将提高到54分贝CMRR;0.01%的匹配电阻将导致74分贝CMRR。

前面关于匹配、温度引起的变化、电阻的温度系数(TCR)和配位电阻跟踪的讨论是"原则上"的。" 下一节 将研究供应商开发的不同方式,以提供高精度,低TCR和匹配跟踪电阻。