如何选择合适的电阻型分压器

无论你的应用是精密电压基准还是仪表放大器，分压器都在高精度电阻应用中占据了很大比重。虽然电阻型分压器只是简单的电路，但是在讨论它们的设计时仍然会出现问题和误解：

　　● 如果我的系统指定在-55～125℃的温度范围内工作，那么我的输出电压将会偏离理想值多少？

　　● 温度范围会对分压器的输出造成什么影响？

　　● 如果我使用精度达到±0.1%的电阻，那么我的输出电压精度将在±0.1%以内，对吧？

　　选择方法

　　目前主要有两种实现电阻型分压器的方式：通过将两个分立的片状电阻连接到公共端，或者通过使用分压器封装在内部的电阻网络进行连接。你所选择的类型可能会对分压器的性能有很大的影响。

　　普通电阻型分压器由两个电阻串联而成（如图1所示）。电压从分压器的顶端输入，由两个电阻之间的节点输出，而参考电压（通常是接地电路）则连接在分压器的底端。

图1 普通双电阻分压器

　　分压器的工作原理遵从欧姆定律：V=IR。当电压(输入电压)施加在分压器输入端时，电流(I)会同时流过两个电阻。因此，根据欧姆定律，每个电阻两端所形成的电压将是输入电压的一部分。V1=I(R1),VOUT=I(R2)，而VIN=V1+VOUT。这样，输入电压被"分"成两个电压。

　　输出电压除以输入电压，可以得到分压器的传输函数：

VOUT/VIN=IR2/(I(R1+R2))=R2/(R1+R2)

　　传输函数表示，输出电压取决于输入电压以及R1和R2的阻值。在这种理想状态下，输出电压精确地按照R2/(R1+R2)计算，同时这个比值取决于输入电压，以及电阻元件能够工作的全部温度。但电阻并不是理想状态中的。实际的电阻具有固有容差和温度系数，可能会给电子系统引入很大的误差。

　　这些效应如何影响非理想状态下分压器的误差呢？让我们看一看固有容差对分压器输出电压的影响。如果分压器由两个分立电阻构成（如图2所示），那么输出误差不仅取决于分立电阻的固有容差，而且也取决于分压器的比值。如果R1=R2，那么由于电阻容差给输出电压所带来的最大误差就等于电阻的固有容差。但是如果R1≠R2，情况又如何呢？

图2 使用分立片状电阻构成的分压器

　　如果R1和R2的阻值不同，那么电压输出的误差将逼近固有的电阻容差的两倍，如图3所示。分压器设计的最坏情况出现在两个电阻的容差正好相反时。如果分压器的设计采用了容差为±0.1%的电阻，那么在此比率下输出误差最坏可达±0.2%。

图3 分压器输出误差随着比值的增加而增加

　　均衡容差

　　图4说明了一种降低这种双倍容差误差的方式。通过在单片衬底上沉积和生成高精度薄膜电阻，使得电阻元件具有非常相似的电气特性。因为我们所关心的"分得的"输出电压取决于R1对R2的比值，与每个电阻元件的绝对容差无关。通过购买比值容差±0.1%的薄膜电阻分压器，我们可以确定由固有容差引入的最大输出误差是±0.1%，而不管每个单独电阻的容差是多少--效果改善为分立解决方案的两倍。

图4 使用单片衬底上的薄膜构成的分压器

　　使用单片薄膜分压器这一想法不仅能够用于降低由容差效应引入的输出误差，而且在降低由温度引入的误差方面也有同样的好处。常见的高精度芯片具有±25×10-6/℃的温度系数（TCR）。这意味着，当电阻温度达到125℃时(比室温高100℃)，每个电阻的阻值变化可能会高达±0.25%。如果R1和R2的温度系数的变化方向相反，那么输出电压的误差可高达两倍（或±0.5%）。

　　传统薄膜分压器的两个电阻元件之间具有±5×10-6/℃的TCR跟踪。同样，因为薄膜电阻元件在单片衬底上是以完全相同的方式沉积和处理的，所以它们的变化与温度的变化趋势相同。此外，同样，因为两个电阻元件的比值对输出电压很重要，所以每个电阻元件的绝对温度系数与分压器的精度无关。通过购买TCR跟踪规格为±5×10-6/℃的薄膜分压器，由温度效应在100℃变化范围内引入的输出电压误差可以从±0.5%降低到±0.05%；改善10倍。

　　表1汇总了这两种方法。使用0.1%的分立电阻设计分压器时，由容差和TCR引入的最大输出误差是0.7%。使用高精度薄膜电阻时的最大输出误差是±0.15%--性能方面超过4倍的改善。


进一步的研究表明，预期的输出电压会受到分压器中的电阻的比值及其固有容差和温度系数的影响。

　　通过选择单片衬底上的高精度薄膜分压器，设计人员可以确保分压器中的电阻元件具有非常相似的电气特性，并在温度和时间变化时实现很好的跟踪。在公用衬底上的材料和处理过程的相似性确保了分压器能够在所有比值和环境下更为稳定，且性能更好。