Redes de resistencias adecuadas para aplicaciones de amplificadores de precisión

Introducción

Se supone una combinación perfecta entre las resistencias de retroalimentación. En la práctica, las no idealidades de la resistencia pueden afectar varios parámetros del circuito, como la relación de rechazo de modo común (CMRR), la distorsión armónica y la estabilidad. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 1, se requiere un buen CMRR para un amplificador de un solo extremo configurado para cambiar el nivel de la señal de referencia de tierra al modo común de 2,5 V. Suponiendo un CMRR de 34 dB y sin señal de entrada, este cambiador de nivel de 2,5 V tiene un cambio de salida de 50 mV, que incluso puede anular el LSB y compensar los errores de los ADC y los controladores de 12 bits.

Figura 1. Un amplificador operacional de un solo extremo utilizado como convertidor de nivel

Para la amplitud operativa, 34 dB es un CMRR inferior al ideal. Sin embargo, una red de retroalimentación de resistencias de tolerancia del 1% puede limitar el CMRR a 34 dB, independientemente de las capacidades del amplificador operacional. Las resistencias altamente adaptadas, como las proporcionadas por el LT5400, que están disponibles en coincidencias de 0,01 %, 0,025 % y 0,05 %, garantizan que el diseñador pueda acercarse o cumplir las especificaciones de la hoja de datos del amplificador. Esta nota de diseño compara el LT5400 con resistencias de montaje superficial de película gruesa, 0402, 1 % de tolerancia. El CMRR, la distorsión armónica y la estabilidad se evalúan con estas resistencias para la retroalimentación del amplificador operacional LTC6362, como se muestra en la Figura 2.

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Un amplificador operacional totalmente diferencial configurado para VOUT/VIN = 0,2

Figura 2. Un amplificador operacional diferencial completamente configurado para VAFUERA/VEN = 0,2

Tasa de rechazo de modo común

Para obtener mediciones precisas en presencia de ruido de modo común, es importante un CMRR alto. La entrada CMRR se define como la relación de la ganancia diferencial (VSALIDA(DIF)/VENTRADA(DIF)) a la entrada de modo común de conversión diferencial (VSALIDA(DIF)/VEN (CM)).

En los amplificadores totalmente diferenciales ideales de terminación única, solo el nivel de entrada diferencial afecta el voltaje de salida. En los circuitos reales, sin embargo, el desajuste de las resistencias limita el CMRR disponible. Considere este circuito configurado para atenuar una señal de ±10 V a una señal de ±2 V. Usando resistencias estándar de montaje en superficie con una coincidencia del 2 % (tolerancia del 1 %), la contribución CMRR de las resistencias en el peor de los casos. Con una tolerancia del 0,01 % y una coincidencia del 0,02 %, la contribución de las resistencias al CMRR en el peor de los casos es de 70 dB. Un factor limitante en la ecuación CMRR es:

Esta expresión se reduce a la relación de coincidencia de resistencias para las resistencias convencionales, pero el LT5400 va un paso más allá para proporcionar una CMRR mejorada al limitar la coincidencia entre los pares de resistencias R1/R2 y R4/R3. Al definir esta ecuación como el CMRR, el LT5400 proporciona una mayor precisión que la relación de adaptación de la resistencia por sí sola. Por ejemplo, el LT5400A garantiza:

lo que mejora el peor de los casos CMRR a 82 dB.

La evaluación comparativa del circuito dio como resultado un CMRR de 50,7 dB (coincidencia de alta resistencia limitada) con resistencias de tolerancia del 1 % y 86,6 dB con el LT5400. En este caso, una compensación de 1,5 mV con resistencias de película gruesa del 1 % y una compensación de 23 μV con el LT5400 daría como resultado una entrada de modo común de 2,5 V, lo que la hace adecuada para aplicaciones ADC de 18 bits donde la precisión es crítica en CC.

Distorsión armónica

La distorsión armónica también es importante cuando se seleccionan resistencias para aplicaciones de precisión. Un voltaje de señal grande a través de una resistencia puede cambiar la resistencia significativamente según el tamaño y el material. Este problema ocurre en algunas resistencias basadas en chips y, naturalmente, se vuelve más grave a medida que aumentan los niveles de potencia en las resistencias. La Tabla 1 compara la distorsión de las resistencias de película gruesa, de tres orificios y LT5400 en función de la conducción de alta potencia y la conducción de potencia similar. Los resultados indican que para una señal dada, el LT5400 distorsiona la señal mucho menos que otros tipos de resistencias.

Estabilidad

La Figura 3 muestra un modelo de la capacitancia distribuida entre las resistencias en el LT5400. Para lograr una coincidencia y un seguimiento de alta precisión en el LT5400, muchas resistencias pequeñas de SiCr se configuran en serie y en paralelo. Debido a la interdigitación compleja, las resistencias LT5400 se pueden modelar como una serie infinita de resistencias con capacitancia parásita entre segmentos adyacentes y entre segmentos individuales y la almohadilla expuesta. Por el contrario, las resistencias convencionales de montaje en superficie, sin una disposición fija, exhiben una capacitancia parásita mucho más baja.

Un modelo simple de la capacitancia distribuida en un circuito integrado de resistencia adaptada.  La suma de los componentes R' crea una resistencia individual equivalente.  El efecto neto de C INTER es de 1,4 pF y el efecto neto de C EXPUESTO es de 5,5 pF

Figura 3. Un modelo simple de la capacitancia distribuida en un circuito integrado de resistencia emparejada. La suma de los componentes R’ crea una resistencia individual equivalente. Efecto neto C′ENTERRAR 1,4 pF y el efecto neto es C’EXPOSICIÓN Hay 5.5pF

El efecto de la capacitancia interresistiva se puede mitigar cuando la almohadilla se expone a tierra. Sin embargo, incluso después de conectar a tierra la almohadilla expuesta, esta capacitancia aún afecta la estabilidad del circuito al formar un polo parásito del orden de la resistencia total por la capacitancia total.

Dado que la sobreselección es inversamente proporcional al margen de fase, la sobreselección de respuesta de fase es una buena manera de garantizar la estabilidad del circuito. La configuración LT5400 tiene un 27 % de compensación en comparación con el 17 % de la configuración 0402. Sin embargo, el condensador de compensación necesario para lograr un sobreimpulso del 8 % es aproximadamente el mismo en ambas configuraciones: 18 pF con el LT5400; 15pF con resistencias 0402. Con una compensación casi idéntica, ambos circuitos muestran características de estabilidad similares.

Conclusión

El rendimiento real de los amplificadores de precisión y los IFT suele ser difícil de lograr porque las especificaciones de la hoja de datos suponen componentes ideales. Las redes de resistencias cuidadosamente combinadas, como las proporcionadas por el LT5400, permiten una mejor combinación de órdenes que los componentes discretos, lo que garantiza que se cumplan las especificaciones de la hoja de datos para los circuitos integrados de precisión.

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