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匹配的10%法则

时间:2012-10-07  来源:38hot  作者:lymex

那么,有什么参数值得匹配呢?

显然,对于推挽放大器的例子,我们要考虑匹配放大倍数,当然最好能测试其它参数也尽量一致,例如Vbe、Iceo等。

对于电阻的匹配
1、首先是匹配阻值。例如上例中,4.5k和500欧应该严格有9:1,这样才能有准确的10倍放大。
2、其次是匹配温度系数。否则由于外界温度的变化,或者由于通电后的自热,会让两个电阻有不同的变化,引起其比例的变化
3、再就是匹配功率。否则因为功率不一致产生不一样的温度,就会产生温度差别,以便温度系数已经匹配。
4、也要匹配老化,否则时间一长,老化方向不一样,比例也会改变。那么,什么叫“匹配的10%法则”呢?

首先看几个实际例子。
1、加当分压电阻,用于万用表电压分压
绝对精度是0.1%,但比例精度也才0.05%。绝对温度系数是30ppm/C,匹配后是5ppm/C

图片:1776.gif




2、Vishay VHD200/144电阻
单个电阻0.6ppm/C,匹配后0.1ppm/C

图片:VHD.gif



3、电位器分压
全局,用在稳压电源上


4、7000系列统计电阻


所谓匹配的10%法则,是说匹配时,能取得的指标,最好能达到匹配前的10%,或者说能好10倍。如何进行匹配?
1、选择相同的材料、相同的工艺,做出相同的元件
这个方法曾经在早期的基准上广为使用,有一定效果。但综合起来,还是逃不脱10%法则。
究其原因,相同是相对的,不同才是绝对的。即便铜一轴电阻丝,前后也有差别,尤其是绕制的时候,粗细不同,力矩大小自然不同,因此松紧也就不一样,引起老化和温度系数的不匹配。


2、同上,但做完后对温度系数进行测试,然后再匹配
Fluke就大量采用这种方法,把测试的温度系数标在电阻上,甚至能标到0.01ppm,这样,只要选择温度系数相同的电阻进行分压,那么分压比就不随温度而变化。
这4只731B里面用的电阻,就都是P1.00的,也就是+1.00ppm/C

图片:P1.00.jpg



然而,由于温度系数会随时间而变化,更主要的是老化系数更是离散比较大,因此Fluke在其最好的使用金封电阻的732B里,也碰到老化不均的现象。我有4个连号的732B,其中两个年稳超差。


3、利用集成工艺,在一个基片上做出相同的元件
这是比较现代的方法,HP的高位表上广泛使用那种外表镀金的类似大片集成块的电阻网络。

图片:20.jpg

同样,Fluke 5700/5700、Keithley 2002等众多仪器内,也都采用了磁基透明封装的电阻分压网络

图片:DSCN9519s.jpg

甚至那种很常见的稳压基准例如AD587/588、MAX6350其内部都是用匹配的电阻分压的。电阻匹配的举例:
多圈线绕电位器,是用一根电阻丝缠绕在细的绝缘棒上,然后弯曲嵌入凹槽,作为分压主体。如果理想,那么分压的上下两部分电阻的特性是一致的,所以分压比应该稳定。
但是实际上,由于电阻丝的材料不均匀性、拉制的力度不同温度不同、绕制的松紧不同、上下温度也不同,因此分压比是随温度也随时间而变化的。由于这样的电阻丝是0.05%级别的,所以,多圈电位器这样的分压匹配,可以做到0.005%,也就是50ppm。那么,为什么会有10%匹配法则?能改进或突破吗?

由于参数是多样的;
由于参数是变化的;
由于参数是难于控制的;


改进,主要靠工艺的对称性、一致性,先进的工艺是完全可以突破10%的。但如果是手工加工,就很难。
另外,采用多个串并联,也就是所谓的统计方法,也能提高匹配的不确定度。

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