问题分析

    在试图解决问题前，我们需要先了解问题的起因。因此，我们首先考虑一个理想运算放大器的简化电路(图1)。


图1. 理想运算放大器简化电路

    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)：

    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(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V_IN = 0V。假设V_IN阻抗小于公式中的其它阻抗，I_BIAS+将旁路到地，不会产生任何影响。由于V_IN = 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(I_BIAS-)和反馈电阻(R2)所产生的输出失调(V_OUT)：

V_OUT = I_BIAS- × 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：I_BIAS+ × 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。


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。

    V_IN = 0时，注意到我们在电路中叠加了一个电压，可以很容易得到V_OUT，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V_IN = 0，同相端作用的任何电压都是该端和R3的漏电流：

• R2/R1比值必须具有较高精度，以设置高精度增益。
• R3与R1和R2并联电阻需精确保持相等，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。

集成电阻

    需注意这些容差是在整个-40°C至+85°C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)。


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。

    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。

    集成电阻的绝对阻值具有较大的误差，但在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

分立电阻方案

RTOL =	-(0.005 + (40 + 25) × 2 × 10-6)%
	(0.005 + (85 - 25) × 2 × 10-6)%
RTOL =	-0.018%
	0.017%

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。

作者

David Fry, 美信公司应用工程师经理