Annons

Matchade motstånd maxar förstärkprestanda

Det är minst lika viktigt att välja rätt typ av yttre motstånd som att välja rätt operationsförstärkare. Det visar Brian Black, produktchef för signalbehandlingsprodukter inom Linear Technology Corporation i den här artikeln.

Operationsförstärkare är analogakonstruktören arbetshäst – de används för att utvinna, skala, byta, buffra, kombinera, filtrera och behandla omvärldens signaler. För tillämpningar som kräver hög noggrannhet och stabilitet måste konstruktören noga ta hänsyn till specifikationer såsom ingångens offsetspänning, brus och bandbredd och han måste välja op-förstärkare som ger de prestanda som behövs.
Fel brukar hopa sig, så det gäller att vara uppmärksam även på valet av andra komponenter som följer efter förstärkaren, såsom dataomvandlare och spänningsreferenser. Samtidigt som detta är viktigt får man inte bortse från noggrannheten hos de komponenter som föregår och omgärdar förstärkaren. Framför allt gäller det motstånd.

Matchade motstånd
Kretsexemplet nedan utnyttjar fyra motstånd och en operationsförstärkare för att bilda en traditionell differentialförstärkare.

Utspänningen bestäms av förhållandet mellan motstånden:

Från ovanstående formel ser vi att detta är ett fall då matchning av motstånd är viktigare än absolut noggrannhet vid bestämningen av förstärkarkretsens prestanda. Om R1 och R2 varierar proportionerligt kommer förstärkningen inte att förändras. Men om ett motstånd ändras i förhållande till det andra, då kommer kvoten av R1 och R2 att ändras och därmed även förstärkningen. Detsamma gäller även i andra vanligt förekommande kvotbaserade (eng ratiometric) kretsar såsom noggranna delare, förstärkningssteg och bryggkretsar.
I den diskussion som följer kommer prestandapåverkan av misspassade motstånd att utforskas för tre typer av motstånd: noggranna diskreta motstånd, traditionella matchade motståndssystem och LT5400, en ny familj av noggrant matchade tunnfilmsmotstånd.
I precisionstillämpningar, såsom differensförstärkaren ovan, kommer det att behövas något bättre än 1 procents tolerans av standardmotstånd.
Låt oss börja med att beakta motstånd med tio gånger högre noggrannhet: motstånd med 0,1 procents tolerans. Eftersom varje motstånd kan variera både plus och minsus 0,1 procent från sitt nominella värde blir matchningen av de båda motstånden i värsta fall ±0,2 procent ((1+0,001)/(1-0,001) = 1,002) eller 2000 ppm vid rumstemperatur. Det motsvarar 9 bitars noggrannhet. Matchning över temperaturen är ett ännu större problem. Flertalet motståndstillverkare specificerar en temperaturkoefficient som är fristående från specifikationen för toleransen. Det 0,1 procens motstånd som används i exemplet har kanske en temperaturkoefficient på 25 ppm/°C. Över området 0°C till 70°C resulterar det i ett fel på över 300 0ppm. Det felet översätts till förstärkningskretsens förstärkningsfel och inkluderar inte icke-idealiska förhållanden i själva op-förstärkaren eller andra felkällor i signalkedjan.
För bättre noggrannhet kan mer noggranna motstånd med toleransen 0,01 procent väljas, men för bästa prestanda bör ett precisionsmatchat motståndssystem utnyttjas.
Ett motståndssystem, med flera motstånd inkluderade i en enda kapsel, kommer att ha motstånd som tenderer att följa varandra temperaturmässigt.  Ett system med 0,01 procents tolerans kan exempelvis ha en kvot för temperaturkoefficienten på ±2ppm/°C, vilket resulterar i fel på 190 ppm från 0°C till 70°C.  Detta är en väsentlig förbättring jämfört med fallet med det diskreta 0,1 procents motståndet.

Högre noggrannhet
När ännu högre noggrannhet behövs kan en ny familj av precisionsmatchade motstånd från Linear Technology, LT5400, utnyttjas. Dessa utnyttjar noggranna layouttekniker så att vardera av dess fyra tunnfilmsmotstånd är geometriskt balanserade och delar samma mittpunkt.
LT5400 finns i en liten, ytmonterad kapsel och har arbetsspänningen ±75 V.
Samtliga kapslar inkluderar fyra motstånd och olika nominella resistansvärden finns med R1/R2-förhållanden på 1, 5 och 10. Ytterligare alternativ kommer att följa (se tabell 1). Ett stort frilagt belägg nedtill på kapseln ger jämna värmeförhållanden för samtliga av de fyra motstånden, och belägget kan också minimera den interna temperaturstegringen för stor förbrukad effekt.
Konstruktionen tillser att alla fyra motstånden utsätts för samma driftsmiljö. LT5400 erbjuder matchning mellan motstånd på bättre än 0,01 procent över temperaturen, matchad temperaturdrift på 1 ppm/°C och ett långsiktigt stabilitetsfel på mindre än 2 ppm efter 2 000 timmar. Därmed åstadkommer den ett matcningsfel på 100 ppm över området 0°C till 70°C (tabell 2). Den bibehåller utmärkta prestanda över ännu större temperaturområden, upp till -50°C till 150°C.
LT5400 är också mycket stabil över tiden. Den varierar mindre än 2 ppm efter 2 000 timmar.

Påverkan av gemensam mod
I många tillämpningar överlagras den signal som behandlas av förstärkaren på en större (och ibland varierande) signal med gemensam mod. I bästa fall ignorerar förstärkaren den gemensamma modsignalen och förstärker, buffrar eller behandlar i övrigt den differentiella signalen.
Om den gemensamma signalen inte på ett effektivt sätt utsläcks av förstärkaren kan offsetspänning och distorsion uppstå på utgången.
En förstärkares CMRR (common mode rejection ratio, undertryckning av likfasiga signaler) är ett mått på hur bra en opförstärkaren är på att blockera den gemensamma komponenten av inkommande signal. Misspassning av motstånd i dessa tillämpningar kan återigen lätt ge det största bidraget till gemensamma fel. CMRR till följd av misspassning av motstånd uttrycks vanligtvis i dB och kan beräknas med hjälp av följande formel:

där G är det nominella värdet på R1/R2 och ΔR/R är motståndsförhållandets matchningsfel.
Om vi följer exemplen ovan ser vi att motstånden återigen kan spela en dominerande roll för ett systems sammanlagda prestanda. Med hjälp av ovanstående ekvation kan vi beräkna CMRR-förmågan hos de motståndsexempel som diskuterats tidigare.
Ett par 0,1 procents motstånd kommer att uppvisa en CMRR på 54 dB, och ett 0,01 procents system kommer att ha ett CMRR på 74dB.
Motståndssystemkretsen LT5400 skiljer sig från de andra motstånden som beaktats i fråga om CMRR-prestanda. Det beror på att den är konstruerad, testad och garanterad speciellt för en snäv tolerans för CMRR. Den ger en garanterad specifikation för matchning för CMRR på 0,005 procent, vilket ger 86 dB över temperaturen för den bästa versionen. Det är dubbelt så bra prestanda som den som skulle uppnås endast med ovanstående formel.
Matckat är bäst
Op-förstärkare kan tillsammans med diskreta komponenter utformas för en rad olika användbara kretsar. Lika noggrann bör man vara vid valet av dessa externa komponenter som vid valet av förstärkaren som sådan.
Matchning av motstånd, och framför allt matchning över temperaturen och det gemensamma spänningsområdet är viktiga specifikationer som kommer att vara avgörande för systemets noggrannhet och hur mycket kalibrering som behöver göras på fabriken eller i fält för att uppnå önskad noggrannhet i systemet. Motståndssystemkretsar passar bäst för sådana tillämpningar och nya produkter såsom LT5400-kretsen med fyra motstånd ger utmärkt noggrannhet.
Brian Black
Produktchef, signalbehandlingsprodukter
Linear Technology Corporation

Tabell1

Tabell 2
Typ av motstånd     Matchningsfel (0°C till 70°C)
0,1% diskret            3800 ppm
0,01% matris            190 ppm
LT5400 matris          100 ppm

 

Comments are closed.