降低精密放大器的电压失调

2011-03-31 10:38:10来源: 互联网 关键字:放大器

精密放大器的电压失调误差一部分是由输入偏置电流造 成的。本文对这一问题进行分析,并给出了基于电阻网 络的解决方案,分别提供了分立和集成方案。分析结果表 明,集成电阻相比成本较高的分立方案具有更好的性能。 对于精密电子放大电路必须满足设计指标中的精度要 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源。因此, 我们首先考虑一个理想的运算放大器的简化框图(图1)。 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) :

图1. 理想运算放大器简化框图。

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模拟这一 效应,构建模型(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) :

VOUT = IBIAS- x R2

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+ x 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。

VIN = 0V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 = 0V,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并联电阻,将抵消输入偏置电流所 产生的电压。对于经常采用这一技术的精密应用,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和并联电阻R1/R2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。

图3中的精密运算放大器可以采用集成或分立电阻。

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。

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)。 电阻容差如表2所示。

需注意这些容差是在-40°C至+85°C整个工作温度范围能 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)。 MAX5421或MAX5431集成电阻芯片的主要技术优势在 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。

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。

集成电阻的绝对阻值具有较大的误差,但对这些电路中 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。 电阻数据资料通常给出了初始误差和温度系数。由此我 们可以计算出在整个温度范围内的最大误差。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:

初始误差: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:

为了达到与集成电阻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等器 件,这些器件集成了四个增益设置所需的电阻,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。

关键字:放大器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0331/article_6451.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:一种简单的10MHz频率源兼分配放大器
下一篇:新型运算放大器使音频性能更臻完美【Diodes】

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利
推荐阅读
全部
放大器

小广播

独家专题更多

东芝在线展会——芯科技智社会创未来
东芝在线展会——芯科技智社会创未来
2017东芝PCIM在线展会
2017东芝PCIM在线展会
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
汇总了TI汽车信息娱乐系统方案、优质音频解决方案、汽车娱乐系统和仪表盘参考设计相关的文档、视频等资源
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved