- 電阻型分壓器的選擇方法
- 電阻型分壓器的均衡容差
無(wú)論你的應(yīng)用是精密電壓基準(zhǔn)還是儀表放大器，分壓器都在高精度電阻應(yīng)用中占據(jù)了很大比重。雖然電阻型分壓器只是簡(jiǎn)單的電路，但是在討論它們的設(shè)計(jì)時(shí)仍然會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題和誤解：
●如果我的系統(tǒng)指定在-55～125℃的溫度范圍內(nèi)工作，那么我的輸出電壓將會(huì)偏離理想值多少？
●溫度范圍會(huì)對(duì)分壓器的輸出造成什么影響？
●如果我使用精度達(dá)到±0.1%的電阻，那么我的輸出電壓精度將在±0.1%以?xún)?nèi)，對(duì)吧？
選擇方法
目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)電阻型分壓器的方式：通過(guò)將兩個(gè)分立的片狀電阻連接到公共端，或者通過(guò)使用分壓器封裝在內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。你所選擇的類(lèi)型可能會(huì)對(duì)分壓器的性能有很大的影響。
普通電阻型分壓器由兩個(gè)電阻串聯(lián)而成（如圖1所示）。電壓從分壓器的頂端輸入，由兩個(gè)電阻之間的節(jié)點(diǎn)輸出，而參考電壓（通常是接地電路）則連接在分壓器的底端。
圖1普通雙電阻分壓器
分壓器的工作原理遵從歐姆定律：V=IR。當(dāng)電壓(輸入電壓)施加在分壓器輸入端時(shí)，電流(I)會(huì)同時(shí)流過(guò)兩個(gè)電阻。因此，根據(jù)歐姆定律，每個(gè)電阻兩端所形成的電壓將是輸入電壓的一部分。V1=I(R1),VOUT=I(R2)，而VIN=V1+VOUT。這樣，輸入電壓被“分”成兩個(gè)電壓。
輸出電壓除以輸入電壓，可以得到分壓器的傳輸函數(shù)：
VOUT/VIN=IR2/(I(R1+R2))=R2/(R1+R2)
傳輸函數(shù)表示，輸出電壓取決于輸入電壓以及R1和R2的阻值。在這種理想狀態(tài)下，輸出電壓精確地按照R2/(R1+R2)計(jì)算，同時(shí)這個(gè)比值取決于輸入電壓，以及電阻元件能夠工作的全部溫度。但電阻并不是理想狀態(tài)中的。實(shí)際的電阻具有固有容差和溫度系數(shù)，可能會(huì)給電子系統(tǒng)引入很大的誤差。
這些效應(yīng)如何影響非理想狀態(tài)下分壓器的誤差呢？讓我們看一看固有容差對(duì)分壓器輸出電壓的影響。如果分壓器由兩個(gè)分立電阻構(gòu)成（如圖2所示），那么輸出誤差不僅取決于分立電阻的固有容差，而且也取決于分壓器的比值。如果R1=R2，那么由于電阻容差給輸出電壓所帶來(lái)的最大誤差就等于電阻的固有容差。但是如果R1≠R2，情況又如何呢？
圖2使用分立片狀電阻構(gòu)成的分壓器[page]
如果R1和R2的阻值不同，那么電壓輸出的誤差將逼近固有的電阻容差的兩倍，如圖3所示。分壓器設(shè)計(jì)的最壞情況出現(xiàn)在兩個(gè)電阻的容差正好相反時(shí)。如果分壓器的設(shè)計(jì)采用了容差為±0.1%的電阻，那么在此比率下輸出誤差最壞可達(dá)±0.2%。
圖3分壓器輸出誤差隨著比值的增加而增加
均衡容差
圖4說(shuō)明了一種降低這種雙倍容差誤差的方式。通過(guò)在單片襯底上沉積和生成高精度薄膜電阻，使得電阻元件具有非常相似的電氣特性。因?yàn)槲覀兯P(guān)心的“分得的”輸出電壓取決于R1對(duì)R2的比值，與每個(gè)電阻元件的絕對(duì)容差無(wú)關(guān)。通過(guò)購(gòu)買(mǎi)比值容差±0.1%的薄膜電阻分壓器，我們可以確定由固有容差引入的最大輸出誤差是±0.1%，而不管每個(gè)單獨(dú)電阻的容差是多少——效果改善為分立解決方案的兩倍。
圖4使用單片襯底上的薄膜構(gòu)成的分壓器
使用單片薄膜分壓器這一想法不僅能夠用于降低由容差效應(yīng)引入的輸出誤差，而且在降低由溫度引入的誤差方面也有同樣的好處。常見(jiàn)的高精度芯片具有±25×10-6/℃的溫度系數(shù)（TCR）。這意味著，當(dāng)電阻溫度達(dá)到125℃時(shí)(比室溫高100℃)，每個(gè)電阻的阻值變化可能會(huì)高達(dá)±0.25%。如果R1和R2的溫度系數(shù)的變化方向相反，那么輸出電壓的誤差可高達(dá)兩倍（或±0.5%）。
傳統(tǒng)薄膜分壓器的兩個(gè)電阻元件之間具有±5×10-6/℃的TCR跟蹤。同樣，因?yàn)楸∧る娮柙趩纹r底上是以完全相同的方式沉積和處理的，所以它們的變化與溫度的變化趨勢(shì)相同。此外，同樣，因?yàn)閮蓚€(gè)電阻元件的比值對(duì)輸出電壓很重要，所以每個(gè)電阻元件的絕對(duì)溫度系數(shù)與分壓器的精度無(wú)關(guān)。通過(guò)購(gòu)買(mǎi)TCR跟蹤規(guī)格為±5×10-6/℃的薄膜分壓器，由溫度效應(yīng)在100℃變化范圍內(nèi)引入的輸出電壓誤差可以從±0.5%降低到±0.05%；改善10倍。
表1匯總了這兩種方法。使用0.1%的分立電阻設(shè)計(jì)分壓器時(shí)，由容差和TCR引入的最大輸出誤差是0.7%。使用高精度薄膜電阻時(shí)的最大輸出誤差是±0.15%——性能方面超過(guò)4倍的改善。
進(jìn)一步的研究表明，預(yù)期的輸出電壓會(huì)受到分壓器中的電阻的比值及其固有容差和溫度系數(shù)的影響。
通過(guò)選擇單片襯底上的高精度薄膜分壓器，設(shè)計(jì)人員可以確保分壓器中的電阻元件具有非常相似的電氣特性，并在溫度和時(shí)間變化時(shí)實(shí)現(xiàn)很好的跟蹤。在公用襯底上的材料和處理過(guò)程的相似性確保了分壓器能夠在所有比值和環(huán)境下更為穩(wěn)定，且性能更好。
