精确匹配运算放大器的输入晶体管
eeskill 2022-01-24

在单片IC设计过程中,我们常常会竭尽所能地对内部组件进行精确的匹配。例如,精确匹配运算放大器的输入晶体管,旨在获得低失调电压。如果我们必须使用属于我们自己的离散晶体管运算放大器,则我们会得到 30mV 甚至更高的失调电压。精确匹配组件的这种能力包括片上电阻器的使用。

集成差动放大器利用高精度片上电阻器匹配和激光修整。这些集成器所拥有的卓越的共模抑制性能,有赖于精心设计集成电路的精确匹配和温度追踪能力。图 1 显示了如 INA133 等差动放大器的常用方法,其对一个低电阻分流器的电压进行测量,从而监测负载的电流。要想抑制 10V 共模电压Vs,两个输入端增益必须完全相等并且极性相反。

图 1 中,我假设为一个理想的运算放大器,但输入电阻相互偏差 ±3Ω,并且其25kΩ 额定值中存在 ±0.012% 不匹配。这种非常小的电阻误差,会产生 1.2mV 的10V 共模电压误差。由于分流器电阻的电压为零,10V 共模电压引起的偏移为 1.2mV。

在大多数应用中,这是可以接受的,也即常用 50mV 满量程分流器电压 2.4% 偏移误差。但是,如果您使用常见 1% 或者甚至 0.1% 电阻器的差动放大器,则请您仔细检查误差:

如图 1 所示,该表格假设四个电阻器中的两个方向相反,并达到其最大容限,这是对潜在误差的合理估计。如果所有四个电阻器的偏差都达到极限,则这些误差翻倍,但这种情况不可能出现。

本例还表明了保持低电源阻抗以及匹配这些差动放大器的重要性。错配电源阻抗带来的额外 ±3Ω,可能会产生不可接受的误差。 值得注意的是,INA133 的内部电阻器并未精确至绝对值。25kΩ 值的精确度仅大约为 ±15%。在获得电阻器输入端大小相同(极性相反)增益的过程中,R1/R2 和 R3/R4 两个比率至关重要。内部差动放大器起到大多数仪表放大器输出级的作用,其存在相同的问题。

现在,知道这些集成匹配内部电阻器的值以后,我们再做一次回顾。稍后,我们将讨论如何利用常见 1% 电阻器和优秀运算放大器构建一个完美的差动放大器。

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