降低精密放大器的电压失调

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。