匹配的10%法则

lymex · 发表于 2009-3-20 09:27:07

问题的引出
不少人经常提出简单的分压补偿问题，例如用电位器进行分压，由于整个材料是一样的，那么电位器的上部和下部的温度系数应该是一样的，所以分压电压应该不随温度而变化。类似，也由于材料是一样的，所以电位器的任何一部分老化方向也是一样的，因此引起的电阻变化同时作用到分压的上半部分和下半部分，因此分压比也应该是不随时间而变化的。

事实上，这样做是有一定作用，但作用有限，更不可能完全抵消。我们经常看到同一批次的多个电阻，特性差异就比较大，难道他们不是采用相同的材料、相同的工艺、接近的时间生产出来的吗？

那么这样的类似办法，到底能吧一致性做到多好呢？就是本文所要讨论的。

匹配
所谓匹配，就是挑选电路元件时，测试并寻找参数一致的，这样会取得更好的综合性能。在元件只有两个的情况，也就是配对。

例如我们做晶体管推挽放大，就要选择放大倍数一样的两个管子，这样放大器的正负半周才能对称、失真小。

再如我们常见的电压放大器，要想放大倍数稳定，也需要一对匹配良好的电阻。下图为选自HP 34401A万用表的一个10倍放大器，4.5k电阻和500欧组成了10:1分压，这个比例的精度直接确定了放大器的增益，因此这两个电阻是封在一起的fineline。

我们常见的7转10电路，需要一对匹配电阻5k和12.9k，这对电阻基本上决定了10V输出的稳定性，此电路来自AN86.pdf

而当前最流行的固态电压基准Fluke 732B，其输出的稳定性也基本上取决于下述R401和R402两个配对的分压电阻

常见的成对的电阻，也是匹配的例子，比如这些VHD144：

lymex · 发表于 2009-3-20 09:34:01

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。

lymex · 发表于 2009-3-20 09:34:49

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

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

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。

lymex · 发表于 2009-3-20 09:35:31

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

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。

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

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。

lymex · 发表于 2009-3-20 09:35:43

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。

lymex · 发表于 2009-3-20 09:36:04

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。

lymex · 发表于 2009-3-20 09:39:14

结束语
[全文完]

llycom · 发表于 2009-3-20 10:01:18

先沙个发再看！

jackrao · 发表于 2009-3-20 13:11:52

就结束了？！

lymex · 发表于 2009-3-20 14:43:41

chenang39 · 发表于 2009-3-22 22:49:07

原来是占位，占位学习。

grn · 发表于 2009-4-15 00:56:25

继续学习

redtony · 发表于 2010-1-5 12:47:23

继续学习

逆风草 · 发表于 2010-1-5 12:54:55

学习

bgqjm · 发表于 2010-1-5 17:01:49

受益匪浅，好好学习

高一新生 · 发表于 2010-1-5 19:38:05

受益匪浅，好好学习

雨后初晴 · 发表于 2010-4-17 16:02:22

要学的东西真不少啊，慢慢学习！

amrogue · 发表于 2010-6-13 11:08:55

学习了。

yuefang3344 · 发表于 2010-7-9 15:22:47

嗯....

我在MSN： jk@ 120world.net

ljhtp · 发表于 2010-9-8 05:30:21

学习 [s:31]

longshort · 发表于 2011-2-9 08:14:43

业余条件下，统计方法匹配最为现实。

04043111 · 发表于 2012-4-10 13:46:32

受益匪浅，好好学习

bg8dmy · 发表于 2012-10-11 22:58:32

学习中。。。顶。

luifai · 发表于 2012-12-13 05:46:00

活到老学到老、感谢分享！[s:32]

chjl04 · 发表于 2013-3-5 10:34:44

[s:31]

zsxlh · 发表于 2013-3-7 00:31:02

进来认真地学习！

sixiangbawang · 发表于 2013-4-13 14:52:26

这个我可用的招

sixiangbawang · 发表于 2013-4-13 14:52:41

再MARK一下

dielew · 发表于 2019-1-29 17:34:59

很好的基础知识学习。

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