使用rejustor和精密仪表放大器支持高增益应用
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摘要：本文介绍了如何使用一个零漂移精密仪表放大器，一对rejustor (电动可调无源电阻)和增益设置电阻实现高精度增益设计的方法。文中以精密仪表放大器MAX4208为例，介绍了应用实例及结果。
概述
仪表放大器被广泛用于各种应用。当仪表放大器连接到微弱差分信号输出的传感器时，仪表放大器需要提供高增益，而且要求高精度增益，并维持非常低的失调电压。在某些条件下，传感器输出的差分信号只有几个mV，而放大器增益需要高达1,000倍。
一些仪表放大器内置增益调节电阻并有几个固定增益设置可供选择。但对设计灵活性要求较高，同时被放大的传感器信号必须与模/数转换器的满量程相匹配时，设计人员更喜欢使用那些通过调节外部分压电阻来设置增益的仪表放大器。这种情况下，需要注意：即使是最精确的仪表放大器也会因为外部增益设置电阻的误差而影响放大器的性能。
本文介绍如何使用一个零漂移精密仪表放大器、一对rejustor和增益设置电阻实现高精度的应用设计。
增益可调仪表放大器
MAX4208是一款超低失调/漂移的精密仪表放大器。该器件采用所谓的间接电流反馈创新架构，配置成一对跨导放大器(图1)和高增益模块，由两个外置电阻提供负反馈。放大器的输出与差分输入的关系由如下式确定：
VOUT = VIN × (1 + R2/R1)
其中，VIN = VIN+ - VIN-
这两个跨导放大器从它们的差分输入电压生成输出电流，并抑制共模输入信号。负反馈确保两个差分输入相等。
图1. MAX4208功能框图
在整个温度范围内能够保持极高精度电阻是外部电阻的最佳选择，但只能找到某些阻值的这一等级的电阻。因此，这样的两个电阻组合在一起，其阻值不一定恰好达到所要求的设定增益。此外，即使电阻可以实现准确的设定增益，其它电路的非线性或不匹配也可能引起实际增益与理论值的偏差。由此可见，实现高增益精度切实可行的方案是使用可调电阻。
MAX4208的超低增益误差(+25°C时，典型值为±0.05%，最大值为±0.25%)会因为外部电阻误差的影响而变差。因此，为了充分利用仪表放大器的精度，应选择精度为0.25%或更高精度的外置电阻。然而，0.25%精度的电阻价格可能高于放大器本身的价格。
上述非可调电阻的问题(阻值不连续、电阻精度误差较大)可以通过选择rejustor (电动“调节”电阻)解决。
Rejustor
Microbridge®推出的Rejustor™元件是一款与VLSI和MEMS兼容的电动调节无源微电阻。它的非易失性意味着它不需要供电就能够保存其设定值。可以进行双向、多次高精度调节(例如：0.1%至0.002%，取决于很多因素)。只需通过使用电信号加热的方式，就可以调节多晶硅电阻的晶体结构，因而改变其电阻值。一旦调节完成，晶体结构会保持稳定，直到再次被加热使其阻值发生变化。rejustor还可与其它rejustor进行温度系数匹配。此外，通过使用电信号，rejustor也能用来补偿其它模拟电路器件的失调和温度系数的变化。所有调节都可在封装前或封装后，在低电压、低电流条件下完成。
Microbridge有一项称为eTC Rejustor的改进技术。它是一套针对封装后的温度条件，实现无源、全模拟、电动调节温度系数的解决方案。使用eTC Rejustor，每个电阻的阻值和电阻温度系数(TCR)都能分别调整到目标值。大大提高了解决与温度相关的各种问题的灵活性。例如，对放大器失调和温度系数(TC)失调，可对其进行连续调节。该调节可以在电路板完成组装之后进行。因此，工程师可以一直等到设计中所有其它的参数变化和温度敏感程度都彰显之后，再进行最后的测试，一并补偿各项累积变化和误差。
Rejustor值可以至少在出厂设定值的30%范围内进行调节。
测试数据
以下是两个高增益仪表放大器MAX4028的试验，一个试验只使用rejustor，另一个试验rejustor和电阻一同使用，可以得到明显改善的高增益测试结果。
利用外置rejustor提供360倍的增益
在第一个测试电路中(图2)，MAX4208由±2.5V双电源供电，REF引脚接GND。增益设置电阻R1由两个并联的1kΩ rejustor组成(RJ1 = 1kΩ||1kΩ = 500Ω)。增益设置电阻R2由两个串联的90kΩ rejustor组成(RJ2 = 90kΩ + 90kΩ = 180kΩ)。此设计能提供大约361V/V的增益。由于生产误差，实际测量的增益为350V/V。试验中使用的rejustor是标准的低温度系数电阻(TCR)、双rejustor封装形式：MBD903A (90kΩ × 2)和MBD102A (1kΩ × 2)，均为SO封装(也提供QFN封装)。
实验装置如下所示：
- 可容纳两个rejustor的ZIF插槽，易于更换rejustor
- MBK-408 trim-kit
- National Instruments的cDAQ和NI-9205 ADC
- Agilent的34420A 7&1/2数字纳伏表
- 输入基准电压源，VINP = 4.118mV
- 笔记本电脑
图2. MAX4208配合外置rejustor实现360V/V增益
为了说明调节的过程，电路增益通过以下步骤设置到360V/V：
- 将MAX4208输入短路，测量输入失调电压。使用Agilent公司的34420A伏特表测量输出，同时用NI-9205显示测量结果。图3显示了输出失调电压，证明输入失调电压非常小，以µV为单位计量，可以忽略(VOS = VOUT/增益)。因此，可以忽略输入失调电压对随后测量的影响。
清晰图片(PDF, 517kB)
图3. MAX4208测试系统的输出偏置电压
- 将±4.118mV (Agilent 34420A实测值)的基准电压连接到MAX4208输入端。增益设置为360V/V，期望输出电压为±1482.48mV：
VOUT = VIN × 增益 = ±4.118mV × 360 = ±1482.48mV
- 两个rejustor均调节到目标值(7%预置)，再次测量输出电压。
图4和图5显示所得到的增益误差优于0.1% (1.5mV输出电压失调对应百分比约为0.1%)。
清晰图片(PDF, 492kB)
图4. 与1482.48mV标称输出的偏差
清晰图片(PDF, 517kB)
图5. 与-1482.48mV标称输出的偏差
测试结果表明，在可调高增益应用中，并且使用标准rejustor替代价格昂贵且精度较低(要达到相同的性能指标，需要0.1%或更高精度的电阻)的电阻后，外围电路不会影响仪表放大器MAX4208的精度。
利用外置rejustor和电阻提供1000倍的增益
第二个测试利用仪表放大器MAX4208提供1,000V/V增益，它与第一个测试的配置和测试设备类似，不同的是：
- 基准输入电压源，VINP = 1.826mV。
- 增益设置电阻R2由固定75kΩ电阻(0.1%)和标准的低TCR、10kΩ rejustor MBD103串联而成。
- 增益设置电阻R1由一个固定91kΩ电阻(0.1%)和标准的TCR、1kΩ rejustor MBD102并联而成。
电路如图6所示。
图6. MAX4208配合外置rejustor和电阻实现1000V/V增益
通过以下三个步骤，将电路增益设置到1,000V/V：
- 为了测量增益为1000V/V时，输入失调和共模抑制比(共模电压VCM = 1.25V)的影响，将MAX4208输入短路。从图7可以看出，输出电压VOUT非常小。因此，输入失调电压和共模抑制比的影响可以忽略不计。
清晰图片(PDF, 491kB)
图7. 第二个测试数据显示输出电压很小，共模电压抑制比和输入失调电压的影响可以忽略。
- 将±1.826mV (Agilent 34420A测量值)基准电压连接到MAX4208的输入端。若设定增益为1,000V/V，则理论输出电压为±1826mV。
- 两个rejustor都调节到所要求的目标值，再次测量输出电压。
图8和图9截屏显示增益误差小于0.1% (2mV输出失调电压对应的百分比约为0.1%)。
清晰图片(PDF, 491kB)
图8. 与1826mV标称输出电压的偏差
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图9. 与-1826mV标称输出电压的偏差
上述两个测试采用标准的rejustor和电阻，测试数据证明：使用rejustor时，外围元件不会降低仪表放大器MAX4208的精度。由于使用了固定电阻，rejustor的调节范围只能在额定30%的范围内调节。然而，电阻与rejustor一同使用，可以在整个温度范围内提高放大器的性能和器件的长期稳定性。这是因为电阻元件(例如：±20ppm/k)降低了rejustor相对较高的TCR (例如：±100ppm/k)。
结论
在一些应用中，仪表放大器需要放大非常小的信号，因为高精度(超低失调和增益误差)和高增益至关重要。增益大小通常由外部阻性元器件确定，此类设计中利用rejustor可以获得很好效果。Rejustor本身的灵活性可以确保非常精确的增益值。同时，要达到相同精度，使用rejustor比使用高精度电阻的成本更低。最后，rejustor即可以单独用于大范围调节增益的场合，也可以配合固定电阻使用，后者在温度和稳定性方面都可以达到最佳效果。
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