差动放大器:我们的目标是“少花钱,多办事!”

经典的分立差动放大器设计非常简单,有何复杂之处?

经典的四电阻差动放大器如图1所示,但是这种电路的性能可能不像设计人员想象的那么好。本文从实际生产设计出发,讨论了与分立电阻相关的一些问题,包括增益精度、增益漂移、交流共模抑制(CMR - Common-Mode Rejection)和失调漂移等方面。

“图1:经典分立差动放大器”
图1:经典分立差动放大器

该放大器电路的传递函数为:

“”

若R1=R3且R2=R4,则上述公式简化为:

“”

这种简化有助于快速估算预期信号电平,但实际上这些电阻绝不会完全相等。此外,精度低、温度系数高的电阻特性也会使电路产生较大的误差。

例如,即使使用性能良好的运算放大器和标准的1%、100ppm/°C增益设置电阻,最后也只能得到高达2%的初始增益误差和200ppm/°C的温度漂移。为解决这个问题,一种解决方案是使用单片电阻网络实现精密增益设置,但这种结构很庞大且成本较高。除了低精度和显著的温度漂移之外,大多数分立差动运算放大器电路的CMR也较差,并且输入电压范围小于电源电压。此外,由于前置放大器的内部电阻网络与接入RG引脚的外部增益设置电阻不匹配,所以单片差动放大器还存在增益漂移问题。

解决所有这些问题的最佳办法是使用带内部增益设置电阻的差动放大器,例如AD8271。通常,这些产品由高精度、低失真运算放大器和多个微调电阻组成。通过连接这些电阻可以创建各种各样的放大器电路,包括差动、同相和反相配置。芯片上的电阻可以并联连接以提供更广泛的选择。相比于分立设计,使用片内电阻可为设计人员带来更多优势。

“图2:增益误差与温度的关系—AD8271与分立解决方案比较”
图2:增益误差与温度的关系—AD8271与分立解决方案比较

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交流性能

在电路尺寸方面,集成电路比印刷电路板(PCB)小得多,因此相应的寄生参数也较小,对交流性能有利。例如,AD8271运算放大器的正负输入端有意设计为不伸出。这些节点不连接到PCB上的走线,电容保持较低,从而提高环路稳定性并优化整个频率范围内的共模抑制。性能比较参见图3。

“图3:CMRR与频率的关系—AD8271与分立解决方案CMRR比较”
图3:CMRR与频率的关系—AD8271与分立解决方案CMRR比较

差动放大器的一项重要功能是抑制两路输入的共模信号。参考图1,如果电阻R1至R4不完全匹配(或者当增益大于1时,R1、R2和R3、R4的比率不匹配),那么部分共模电压将被差动放大器放大,并作为V1和V2之间的有效差压出现在VOUT处,无法与实际信号相区分。如果电阻不理想,也将发生上述情况。

差动放大器抑制这一部分电压的能力称为共模抑制。该参数可以表示为共模抑制比(CMRR - Common-Mode Rejection Ratio)或转换为分贝(dB)。分立解决方案的电阻匹配不如集成解决方案中的激光调整电阻匹配那么好,这可以从图4中输出电压与CMV的关系曲线看出来。

“图4:输出电压与共模电压的关系—AD8271与分立解决方案比较”
图4:输出电压与共模电压的关系—AD8271与分立解决方案比较

假设使用理想运算放大器,则CMRR为:

“”

其中,Ad为差动放大器的增益,t为电阻容差。因此,对于单位增益和1%电阻,CMRR为50V/V或约34dB;使用0.1%电阻时,CMRR增加到54dB。即使采用具有无限大共模抑制的理想运算放大器,整体CMRR也会受电阻匹配的限制。某些低成本运算放大器具有60dB至70dB的最小CMRR,使误差更为糟糕。

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低容差电阻

放大器在其指定工作温度范围内通常表现良好,但必须考虑外部分立电阻的温度系数。对于带有集成电阻的放大器,电阻可以进行漂移调整和匹配。电路板布局通常要求电阻相互靠近,因此它们会一同漂移,从而降低其失调温度系数。在分立情况下,电阻在PCB上散开,匹配情况也不如集成方案,产生的失调温度系数会更差,如图5所示。

“图5:系统失调与温度的关系—AD8271与分立解决方案比较”
图5:系统失调与温度的关系—AD8271与分立解决方案比较

无论是分立式还是单芯片,四电阻差动放大器的使用都非常广泛。由于只有一个器件放置在PCB上,而不是多个分立元件,因此可以更快速、更高效地构建电路板,并节省大量面积。

为了获得稳定且值得投入生产的设计,应仔细考虑噪声增益、输入电压范围和CMR(达到80dB或更高)。这些电阻均采用相同的低漂移薄膜材料制成,因此在一定温度范围内可提供出色的比例匹配。

本文转载自:亚德诺半导体
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