運算放大器是直流耦合高增益電子電壓放大器,具有差分輸入,且通常是單端輸出。在這種配置下,運算放大器產生的輸出電位(相對於電路接地)通常比其輸入端之間的電位差大幾萬倍。

精密放大器和類比數位轉換器(ADC)的實際性能通常難以實現,因為資料表規格是基於理想的元件。精心匹配的電阻網路比不匹配的離散元件在匹配精準度上高幾個數量級,確保資料表規格滿足精密IC要求。

在電源配置的單片IC設計中,經常會用到精確匹配內部元件的能力。例如,透過精確匹配運算放大器的輸入電晶體來提供低失調電壓。如果非得用離散電晶體來製作運算放大器,那麼將會有30mV或更高的失調電壓。這種精確匹配元件的能力包括片上電阻匹配。

整合差分放大器就利用了精確的片上電阻匹配和鐳射微調。這些整合元件優異的共模抑制依賴於精心設計的IC精確匹配和溫度追蹤。

透過使用成對切割(1:1比率)的晶片並將其放置在密閉網路封裝中可實現明顯的追蹤增益。可以利用使用超高精準度電阻(熱端或冷端的電阻溫度係數在0.05ppm/℃,相鄰的兩個晶片顯示的溫漂軌跡差在0.1ppm/℃以內)來實現極限增益。為獲得最佳追蹤效果,必須使用絕對電阻溫度係數非常低的電阻(稱為超高精準度電阻),這也有助於避免由於溫度梯度造成的複雜性。

匹配電阻對許多差分電路的性能都至關重要。比率之間的任何不匹配都會導致共模誤差,在這些電路中,CMRR是個重要指標,因為它表明有多少不期望的共模訊號會出現在輸出中。由這些電路中的電阻引起的CMRR可以使用以下公式計算:

CMRR=1/2(G+1)/ Δ R/R

其中,G = 增益[放大係數]、R = 電阻[Ω]。

20180425TA01P1 圖1 反相運算放大器配置。

在精密醫療設備(如電子掃描顯微鏡、血細胞計數設備和體內診斷探頭)中,使用高度匹配精密電阻的差分放大器至關重要。

圖2的差分放大器公式如下所示:

20180425TA01P2-1

20180425TA01P2 圖2 差分放大器。

惠斯登電橋(Wheatstone bridge circuit,或電阻電橋)電路可用於多種應用。當今,利用現代運算放大器,可以使用惠斯登電橋電路將各種變頻器和感測器連接到這些放大器電路。除了將未知電阻與已知電阻進行比較外,惠斯登電橋在電子電路中有許多用途。惠斯登電橋電路其實就是兩個簡單的電阻串並聯組合,當連接在電壓源和接地之間的電阻平衡時,在這兩個並聯支路之間就會產生零壓差。

惠斯登電橋電路具有兩個輸入端和兩個輸出端,由四個電阻構成,如圖3所示的菱形結構。這是惠斯登電橋的典型畫法。與運算放大器一起使用時,惠斯登電橋電路可用於測量和放大電阻的微小變化,與使用常規薄膜電阻相比,超高精準度電阻的使用可精確地將電橋平衡點接地。所有四個電阻都各司其職,所以其匹配和穩定性對於電橋平衡非常必要。

20180425TA01P3 圖3 惠斯登電橋差分放大器。

平衡良好的惠斯登電橋差分放大器可用於電站的智慧電網電力電路測量。它們也用於太陽能轉換器,其中轉換器的效率直接取決於使用高穩定電阻的電阻橋平衡。

精密和低雜訊運算放大器通常用於在感測器訊號(如溫度、壓力、光線)進入ADC之前調節這些訊號。在這種應用中,輸入失調電壓和輸入電壓雜訊這兩個特定的運算放大器參數對於良好的系統解析度至關重要。超高精準度電阻的低失調和低雜訊參數使其成為感測器介面和發送器的理想選擇。

圖4中的求和運算公式如下:

20180425TA01P4-1

20180425TA01P4 圖4 求和運算放大器。

作為參考,高精準度電阻用於數位類比轉換器(DAC)輸入也可實現更好的結果。利用高精準度匹配電阻傳遞的數位訊號使類比訊號輸出的雜訊和失真更小。Bulk Metal Foil技術的雜訊等級為-40dB,使得這種電阻技術成為高階音訊ADC/DAC電路中參考和增益電阻的理想方案。低雜訊運算放大器在航空電子設備、軍用和航太(AMS)RFI設備(包括陀螺儀、GPS晶片組控制放大器和天線方向控制單元)中也非常關鍵。

20180425TA01P5 圖5 數位類比轉換器。

(參考原文: Op Amp Circuitry Ultra-High-Precision Resistor Usage: Matching and Stability Importance,by Victor Chertakovsky、Kai Karstensen)