提高差分放大器的共模抑制比,電阻的選擇很關鍵哦~

2020-12-24 電子工程專輯

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在各種應用領域，採用模擬技術時都需要使用差分放大器電路，如圖 1 所示。例如測量技術，根據其應用的不同，可能需要極高的測量精度。為了達到這一精度，儘可能減少典型誤差源（例如失調和增益誤差，以及噪聲、容差和漂移）至關重要。為此，需要使用高精度運算放大器。放大器電路的外部元件選擇也同等重要，尤其是電阻，它們應該具有匹配的比值，而不能任意選擇。


圖 1. 傳統的差分放大器電路。


理想情況下，差分放大器電路中的電阻應仔細選擇，其比值應相同 (R2/R1 = R4/R3)。這些比值有任何偏差都將導致不良的共模誤差。差分放大器抑制這種共模誤差的能力以共模抑制比(CMRR) 來表示。它表示輸出電壓如何隨相同的輸入電壓（共模電壓）而變化。在最佳情況下，輸出電壓不應該改變，因為它只取決於兩個輸入電壓之間的差值（最大 CMRR）；但是，實際使用中情況會有所不同。CMRR 是差分放大器電路的重要特性，通常以 dB 來表示。


對於圖 1 所示的差分放大器電路，CMRR 取決於放大器本身以及外部連接的電阻。對於後者，取決於電阻的 CMRR 在本文下述部分以下標"R"表示，並利用下式計算：



例如，在放大器電路中，所需增益 G = 1 且使用容差為 1%、匹配精度為 2% 的電阻產生的共模抑制比為





在 34 dB時，CMRRR 相對較低。在這種情況下，即使放大器具有非常好的 CMRR，也無法實現高精度，因為鏈路的精度總是取決於其精度最差的環節。因此，對於精密的測量電路而言，必須非常精確地選擇電阻。


實際使用中傳統電阻的阻值並不恆定。它們會受機械負載和溫度的影響。根據需求的不同，可以使用具有不同容差的電阻或匹配電阻對（或網絡），其大部分使用薄膜技術製造並具有精確的比值穩定性。利用這些匹配的電阻網絡（如LT5400 四通道匹配電阻網絡），可以大幅提高放大器電路的整體 CMRR。LT5400 電阻網絡在整個溫度範圍內具有出色的匹配性，結合差分放大器電路使用則匹配性更佳，因而可確保 CMRR 比分立電阻提高兩倍。


圖 2. 帶有 LT5400 的差分放大器電路。


LT5400 提供 0.005% 的匹配精度，從而使 CMRRR 達到 86 dB。然而，放大器電路的總共模抑制比 (CMRRTotal) 由電阻 CMRR 和運算放大器共模抑制比 CMRROP 的組合構成。對於差分放大器，可利用公式 3 計算：



例如，LT1468提供的 CMRROP 典型值為 112 dB，採用 LT5400 的增益為 G = 1，其 CMRRTotal 的值為 85.6 dB。


或者，可以使用集成式差分放大器，如LTC6363。這种放大器在單晶片中內置放大器和最佳匹配電阻。它幾乎消除了上述所有問題，同樣也可提供最大精度，其 CMRR 值達 90 dB 以上。



必須根據差分放大器電路的精度要求仔細選擇外部電阻電路，以便實現系統的高性能。或者，可以使用集成式差分放大器，如在單晶片中集成了匹配電阻的 LTC6363。



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