Deriva della temperatura nei resistori e nell'Op

Anche in condizioni elettriche fisse (tensione di alimentazione, ingresso e carico), i circuiti elettronici non sono perfettamente stabili poiché tendono a spostarsi con il tempo e la temperatura. Queste deviazioni dal comportamento ideale possono aggiungere un errore considerevole alla precisione delle misurazioni. Per ottenere informazioni dettagliate sulla deriva della temperatura nell'elettronica, questo articolo esamina brevemente il comportamento della temperatura di resistori e amplificatori. Discuteremo anche che l'effetto del rumore di sfarfallio potrebbe non essere facilmente distinguibile da una deriva indotta dalla temperatura nell'uscita. Infine, discuteremo del fatto che la deriva può limitare l'efficacia della tecnica di media del segnale comunemente utilizzata per aumentare la precisione delle misurazioni ripetibili.

Essendo forse il tipo più semplice di componente elettronico, i resistori potrebbero essere trascurati come fonte di errore nei circuiti ad alte prestazioni. Tuttavia, il valore di un resistore non è costante e cambia con la temperatura e il tempo. Ad esempio, se il coefficiente di temperatura di un resistore è ±50 ppm/°C e la temperatura ambiente supera di 100 °C la temperatura di riferimento (la temperatura ambiente), il valore del resistore può cambiare di ±0,5%.

Fortunatamente, in molte applicazioni, la precisione del circuito è determinata dal rapporto tra due o più resistori anziché dal valore assoluto di un singolo resistore. In questi casi è possibile utilizzare una rete di resistori adattati, come l'LT5400. I resistori formano una rete con substrato comune e mostrano un comportamento termico ben abbinato. La Figura 1 confronta il comportamento della temperatura di un singolo resistore discreto con quello di una rete di resistori abbinati.

In questa figura, le linee arancioni specificano i limiti per la variazione del valore di un singolo resistore da ±50 ppm/°C quando la temperatura cambia in entrambe le direzioni rispetto alla temperatura di riferimento (20°C). Le curve rosse corrispondono a quattro resistori di una rete di resistori abbinati che mostrano un comportamento di temperatura simile. I coefficienti di temperatura (TC) dei resistori abbinati si seguono tra loro, generalmente entro 2–10 ppm/°C. I resistori con un comportamento termico ottimale possono rappresentare un requisito fondamentale in alcune applicazioni di precisione come il rilevamento della corrente resistiva.

Va notato che, anche con valori TC identici, i resistori di un circuito possono generare una deriva dipendente dalla temperatura. Di seguito è possibile vedere un esempio nella Figura 2.

Nella figura sopra, i due resistori hanno TC identici (+25 ppm/°C); tuttavia, la tensione ai capi dei resistori e, di conseguenza, la potenza dissipata dai due resistori è molto diversa. La tensione su R2 = 100 Ω è 0,1 V, il che porta ad una dissipazione di potenza di 0,1 mW. Tuttavia, la tensione su R1 è 9,9 V; quindi 9,9 mW vengono dissipati attraverso questo resistore. Supponendo che la resistenza termica di entrambi i resistori sia di 125 °C/W, la temperatura di R1 e R2 aumenterà rispettivamente di 1,24 °C e 0,0125 °C al di sopra della temperatura ambiente. Questo effetto di autoriscaldamento disuguale fa sì che i due resistori si spostino di quantità diverse.

La Figura 3(a) mostra un altro esempio in cui TC identici non possono necessariamente risolvere il problema della deriva della temperatura.

Nella figura sopra, se il progetto incorpora resistori diversi (R1 ≠ R2) con TC identici, l'autoriscaldamento dei resistori può generare una deriva indotta dalla temperatura come discusso in precedenza. Tuttavia, il regolatore di tensione può causare un ulteriore gradiente di temperatura. Questo gradiente di temperatura genera derive termiche diseguali nei resistori anche se la resistenza e il TC dei due resistori sono gli stessi (R1 = R2 e TC1 = TC2).

È possibile utilizzare un array di resistori per evitare il problema della deriva degli esempi precedenti (Figura 3(b)). Con una rete di resistori implementata su un singolo substrato, i due resistori sono accoppiati termicamente e presentano la stessa temperatura ambiente.

Dato che un semplice resistore è suscettibile alla temperatura e all'invecchiamento, non sorprende che anche i parametri di altri circuiti più complessi varino con la temperatura e il tempo. Ad esempio, la tensione di offset in ingresso di un amplificatore cambia con la temperatura e il tempo. Ciò può produrre un errore variabile nel tempo, limitando il segnale CC minimo che può essere misurato. La deriva dell'offset per un tipico amplificatore operazionale di precisione per uso generale può essere compresa tra 1 e 10 μV/°C.