Температурный дрейф резисторов и ОП

Даже при фиксированных электрических условиях (напряжение питания, вход и нагрузка) электронные схемы не являются абсолютно стабильными, поскольку имеют тенденцию к дрейфу со временем и температурой. Эти отклонения от идеального поведения могут внести значительную погрешность в прецизионные измерения. Чтобы получить представление о температурном дрейфе в электронике, в этой статье кратко рассматривается температурное поведение резисторов и усилителей. Мы также обсудим, что эффект фликкер-шума может быть нелегко отличить от вызванного температурой дрейфа выходного сигнала. Наконец, мы обсудим, что дрейф может ограничить эффективность метода усреднения сигнала, который обычно используется для повышения точности повторяемых измерений.

Будучи, пожалуй, самым простым типом электронных компонентов, резисторы могут быть упущены из виду как источники ошибок в высокопроизводительных схемах. Однако значение резистора не является постоянным и меняется в зависимости от температуры и времени. Например, если температурный коэффициент резистора составляет ±50 ppm/°C, а температура окружающей среды на 100 °C превышает эталонную температуру (комнатную температуру), значение резистора может измениться на ±0,5 %.

К счастью, во многих приложениях точность схемы определяется соотношением двух или более резисторов, а не абсолютным значением одного резистора. В этих случаях можно использовать согласованную резисторную сеть, например LT5400. Резисторы образуют сеть с общей подложкой и демонстрируют хорошо согласованное температурное поведение. На рисунке 1 сравнивается температурное поведение одиночного дискретного резистора с температурным поведением согласованной резисторной сети.

На этом рисунке оранжевые линии обозначают пределы изменения значения одного резистора ±50 ppm/°C при изменении температуры в любом направлении от эталонной температуры (20°C). Красные кривые соответствуют четырем резисторам из согласованной резисторной сети, которые демонстрируют аналогичное температурное поведение. Температурные коэффициенты (TC) согласованных резисторов отслеживают друг друга, обычно в пределах 2–10 ppm/°C. Резисторы с хорошо подобранным температурным поведением могут быть фундаментальным требованием в некоторых прецизионных приложениях, таких как резистивное измерение тока.

Следует отметить, что даже при одинаковых значениях ТК резисторы в цепи могут создавать температурно-зависимый дрейф. Ниже вы можете увидеть пример на рисунке 2.

На приведенном выше рисунке два резистора имеют одинаковый ТКС (+25 ppm/°C); однако напряжение на резисторах и, следовательно, мощность, рассеиваемая двумя резисторами, сильно различаются. Напряжение на R2 = 100 Ом составляет 0,1 В, что приводит к рассеиваемой мощности 0,1 мВт. Однако напряжение на R1 составляет 9,9 В; таким образом, на этом резисторе рассеивается 9,9 мВт. Если предположить, что термическое сопротивление обоих резисторов составляет 125 °С/Вт, температура R1 и R2 соответственно поднимется на 1,24 °С и 0,0125 °С выше температуры окружающей среды. Этот неравный эффект самонагрева приводит к тому, что два резистора смещаются на разную величину.

На рисунке 3(a) показан еще один пример, когда идентичные термопары не обязательно могут решить проблему температурного дрейфа.

На рисунке выше, если в конструкции используются неодинаковые резисторы (R1 ≠ R2) с одинаковыми термопарами, самонагрев резисторов может вызвать температурный дрейф, как мы обсуждали выше. Однако дополнительный температурный градиент может быть вызван регулятором напряжения. Этот температурный градиент приводит к неравномерному температурному дрейфу резисторов, даже если сопротивление и TC двух резисторов одинаковы (R1 = R2 и TC1 = TC2).

Чтобы избежать проблемы дрейфа, как в приведенных выше примерах, можно использовать массив резисторов (рис. 3(b)). В случае резисторной сети, реализованной на одной подложке, два резистора термически связаны и испытывают одинаковую температуру окружающей среды.

Поскольку простой резистор чувствителен к температуре и старению, неудивительно, что параметры других, более сложных схем также меняются с температурой и временем. Например, входное напряжение смещения усилителя меняется в зависимости от температуры и времени. Это может привести к изменяющейся во времени ошибке, ограничивающей минимальный измеряемый сигнал постоянного тока. Дрейф смещения для типичного прецизионного операционного усилителя общего назначения может находиться в диапазоне 1–10 мкВ/°C.