對於精密電子，放大電路必須滿足設計指標中的精度要求。設計這些放大器時所麵臨的一個問題是：流入放大器輸入端的電流所產生的電壓失調。本文中，我們首先分析了產生失調的原因，並基於集成電阻網絡給出了相應的解決方案。

 

問題分析

 

在試圖解決問題前
，我們需要先了解問題的起因。因此
，我們首先考慮一個理想運算放大器的簡化電路(圖 1)。
 

很多一年級學生都非常熟悉該電路的分析(假設放大器輸入電流為零)：

 

公式 1

 

整理後得到：

 

公式 2

 

yinruyouxiandeshuruzukangkeyishifenxijieguogengjiejinshijiqingkuang，cishiyunsuanfangdaqijiangcunzaiyidingdeshurupianzhidianliu。womenzailixiangyunsuanfangdaqidemeigeshuruduanzengjiayigedianliuyuanlaimonizheyixiaoying(圖 2)。

 

圖 2. 圖 1 理想運算放大器的電流源模型，模擬輸入偏置電流。

 

為了分析每個電流源的影響
，假設 VIN = 0V。假設 VIN 阻抗小於公式中的其它阻抗

，IBIAS+將旁路到地，不會產生任何影響。由於 VIN = 0V，V- 也等於 0V。此外，由於 R1 兩端電位相同
，為 0V 電位，分析中可忽略。這樣，我們很容易得到由於輸入偏置電流(IBIAS-)和反饋電阻(R2)所產生的輸出失調(VOUT)：

 

VOUT = IBIAS- × R2

 

解決問題

為了改進電路我們增加一個電阻(圖 3 中的 R3)，需要驗證這一外加電阻的影響

，該電阻會在同相端輸入引入一個負的偏壓：IBIAS+ × R3。由此可以通過調節 R3 消除偏置電流對反相端輸入的影響。當然，合理的選擇是將同相端與反相端輸入的偏置電流調整到近似相等。

 

圖 3. 圖 2 電路中加入補償電阻(R3)
，抵消輸入偏置電流的影響。

 

VIN = 0 時，注意到我們在電路中疊加了一個電壓
，可以很容易得到 VOUT
，即，輸出電壓等於同相端電壓乘以電壓增益
，加上由於反相端輸入漏電流產生的失調。因為 VIN = 0，同相端作用的任何電壓都是該端和 R3 的漏電流：

 

公式 3

 

如果 R3 等於 R1 和 R2 並聯，將抵消輸入偏置電流所產生的電壓。對於經常采用這一技術的精密應用，應按照以下原則選擇電阻：

 

R2/R1 比值必須具有較高精度，以設置高精度增益。

 

R3 與 R1 和 R2 並聯電阻需精確保持相等，以補償輸入偏置電流引入的誤差。

 

這些電阻應保持相同的溫度特性。

 

 

圖 3 中的精密運算放大器可以采用集成或分立電阻。

 

集成電阻

MAX5421 (作為一個例子)內置 15kΩ電阻，采用+5V 或 -5V 供電
；類似器件 MAX5431 內置 57kΩ電阻，采用+15V 或 -15V 供電。這些器件不僅包括精密的集成電阻，還可以在不同電阻間切換。利用電阻設置運算放大器的增益時，可以將增益設置在 1、2、4 和 8 之間。

 

器件的數據資料顯示它們在電阻比為 2
、4、8 的電阻對節點具有恒定電阻。電阻比為 1 時，節點僅等效為一個低阻。因此，所有比例下匹配電阻應等於抽頭電阻(表 1)。

 

表 1. MAX5421/MAX5431 分壓器匹配電阻設置

 

 

電阻容差如表 2 所示。

 

表 2. MAX5421/MAX5431 分壓電阻容差

 

 

需注意這些容差是在整個 -40°C 至+85°C 工作溫度範圍能夠保證的最大值，從而保證了高精度增益容限。圖 4 給出了典型的集成電阻設計(一個精密放大器)。

 

圖 4. 該精密放大器由精密電阻(MAX5421 IC)和通用的滿擺幅運算放大器(MAX4493)組成。

 

MAX5421 或 MAX5431 jichengdianzuxinpiandezhuyaojishuyoushizaiyudianzuzhijiandepipeiduheyizhidewendutexing。tongguozaizengyishezhidianzuzhijianjinxingdianziqiehuankeyixuanzesuoyaoqiudexitongzengyi。

 

集成電阻的絕對阻值具有較大的誤差，但在這些電路中不會造成任何影響，因為增益值取決於電阻比的精度
，可以保證在±0.025%以yi內nei。如ru果guo使shi用yong外wai部bu電dian阻zu進jin行xing匹pi配pei

，則ze很hen難nan得de到dao適shi當dang的de阻zu值zhi，集ji成cheng電dian阻zu則ze很hen容rong易yi達da到dao匹pi配pei。集ji成cheng電dian阻zu可ke以yi由you工gong廠chang調tiao整zheng
，保bao證zheng增zeng益yi設she置zhi電dian阻zu具ju有you一yi致zhi的de溫wen度du特te性xing。R1 和 R2 的誤差還會影響 R3
，R3 應該與 R1 和 R2 的並聯阻值保持相同。

 

如果係統中不需要 R3，利用數字編程的精密電阻分壓器 MAX5420 和 MAX5430 可以降低係統成本。這些器件具有與 MAX5421 和 MAX5431 相同的性能，但不包含匹配電阻。對於固定增益應用
，可以采用 MAX5490、MAX5491 和 MAX5492 電阻分壓器
，該係列器件隻包括一路固定增益電阻對，不含匹配電阻。

 

分立電阻方案

我們現在轉向用分立元件設置增益的方案，並對該方案進行分析。分立電阻對不僅需要具有±0.025%的比例容差，還必須在整個溫度範圍內將變化率保持在容限以內。實際上
，這意味著每個電阻必須具有 0.0125%的(de)容(rong)差(cha)。電(dian)阻(zu)的(de)數(shu)據(ju)資(zi)料(liao)通(tong)常(chang)給(gei)出(chu)了(le)初(chu)始(shi)容(rong)差(cha)和(he)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)。由(you)此(ci)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)計(ji)算(suan)出(chu)在(zai)整(zheng)個(ge)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)最(zui)大(da)容(rong)差(cha)。下(xia)麵(mian)給(gei)出(chu)的(de)例(li)子(zi)基(ji)於(yu)具(ju)有(you)低(di)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)的(de)超(chao)高(gao)精(jing)度(du)分(fen)立(li)電(dian)阻(zu)：

 

初始容差：0.005%

溫度係數：2ppm

工作溫度範圍：-40°C 至+85°C

 

因此
，在整個工作範圍內電阻容差為：

 

 

為(wei)了(le)達(da)到(dao)與(yu)采(cai)用(yong)集(ji)成(cheng)電(dian)阻(zu)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)方(fang)案(an)相(xiang)同(tong)的(de)增(zeng)益(yi)精(jing)度(du)，必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)上(shang)述(shu)超(chao)高(gao)精(jing)度(du)電(dian)阻(zu)。雖(sui)然(ran)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)這(zhe)樣(yang)的(de)分(fen)立(li)電(dian)阻(zu)
，但(dan)成(cheng)本(ben)非(fei)常(chang)昂(ang)貴(gui)，每(mei)個(ge)電(dian)阻(zu)的(de)價(jia)格(ge)在(zai)幾(ji)個(ge)美(mei)元(yuan)左(zuo)右(you)。即(ji)使(shi)降(jiang)低(di)對(dui)輸(shu)入(ru)失(shi)調(tiao)匹(pi)配(pei)的(de)要(yao)求(qiu)，為(wei)了(le)達(da)到(dao)與(yu)集(ji)成(cheng)電(dian)阻(zu)方(fang)案(an)接(jie)近(jin)的(de)性(xing)能(neng)，分(fen)立(li)元(yuan)件(jian)的(de)成(cheng)本(ben)也(ye)很(hen)難(nan)接(jie)受(shou)。一(yi)對(dui)電(dian)阻(zu)的(de)成(cheng)本(ben)要(yao)遠(yuan)遠(yuan)高(gao)於(yu) MAX542x 或 MAX543x (示例器件)
，這些器件集成了四種增益設置所需的全部電阻，另外還包括匹配電阻和切換增益設置所需的全部開關和邏輯電路。

 

結論

我wo們men分fen析xi了le由you於yu輸shu入ru偏pian置zhi電dian流liu所suo造zao成cheng的de電dian壓ya失shi調tiao誤wu差cha。經jing過guo對dui分fen立li和he集ji成cheng電dian阻zu兩liang種zhong方fang案an的de比bi較jiao

，可ke以yi看kan出chu，采cai用yong集ji成cheng電dian阻zu能neng夠gou獲huo得de優you於yu昂ang貴gui的de分fen立li方fang案an的de性xing能neng。