無論你的應(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%以內(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：通過將兩個(gè)分立的片狀電阻連接到公共端，或者通過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

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說明了一種降低這種雙倍容差誤差的方式。通過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)容差無關(guān)。通過購買比值容差±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)與分壓器的精度無關(guān)。通過購買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。