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 集(ji)成(cheng)電(dian)阻(zu)芯(xin)片(pian)的(de)主(zhu)要(yao)技(ji)術(shu)優(you)勢(shi)在(zai)於(yu)電(dian)阻(zu)之(zhi)間(jian)的(de)匹(pi)配(pei)度(du)和(he)一(yi)致(zhi)的(de)溫(wen)度(du)特(te)性(xing)。通(tong)過(guo)在(zai)增(zeng)益(yi)設(she)置(zhi)電(dian)阻(zu)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)電(dian)子(zi)切(qie)換(huan)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)所(suo)要(yao)求(qiu)的(de)係(xi)統(tong)增(zeng)益(yi)。

 

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：

 

 

weiledadaoyucaiyongjichengdianzudeyunsuanfangdaqifanganxiangtongdezengyijingdu

，bixushiyongshangshuchaogaojingdudianzu。suirankeyidedaozheyangdefenlidianzu，danchengbenfeichanganggui，meigedianzudejiagezaijigemeiyuanzuoyou。jishijiangdiduishurushitiaopipeideyaoqiu，weiledadaoyujichengdianzufanganjiejindexingneng，fenliyuanjiandechengbenyehennanjieshou。yiduidianzudechengbenyaoyuanyuangaoyu 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)。