《差動放大電路中電阻誤差對電路共模抑制比的影響與蒙特卡洛分析》一文,介紹在差動放大電路設計時匹配電阻精度造成的影響,而在差動放大電路應用中還有一個不可忽略的因素——信號源內阻。本篇對信號源內阻在差動放大電路的共模抑制比影響進行理論分析,並提供改善方法,同時結合仿真驗證。
如圖2．54,將Rg1與Rg2值設定為Rg,Rf1與Rf2值設定為Rf,電路差模增益Ad(常態增益ANF)為Rf比Rg。當考慮信號源的輸入阻抗因素時,電路實際的輸出電壓應由ANF-、ANF+決定,二者滿足式2-34、2-35。
圖2．54差分放大電路的信號源阻抗分析
假定信號源內阻Rs1、Rs2遠小於Rg與Rf之和,電路的共模抑制比為式2-36
由式2-36可知,當信號源內阻Rs1與Rs2的差值與Rg比值佔1%時,ANF為1時,電路的共模抑制比僅僅為40dB,即誤差為1%級別。
如圖1(a), 使用ADA4077組建增益為1倍的差動放大電路,R1～R4阻值為1KΩ,V3是具有20Ω內阻,輸出1V 直流信號的信號源,V4是具有10Ω內阻,輸出1．1V 直流信號的信號源。另外,設定V3,V4內阻的精度為5%(模擬信號源內阻因環境的變換)。
該電路理想情況下,會將輸入V3與V4的差模信號轉化為100mV輸出,使用模特卡洛分析的結果如圖1(b),可以清晰看到輸出信號最大值為103．9mV,最小值為102．7mV, 均值的103．3mV,輸出的誤差為3．3%左右,符合上述分析。
圖1 信號源內阻對ADA4077差動電路影響
分析式2-36,降低信號源內阻之差,可以提高電路的共模抑制,而降低信號源內阻影響的方式為增加放大器的輸入阻抗。但是直接增大Rg,Rf,隨工作溫度上升由溫漂帶來的失調電壓也會隨之增大。所以有效降低信號源內阻影響的方式,是使用兩個放大器作為輸入緩衝器提高輸入阻抗,如圖2．55,改善後的差動電路與信號源構建系統的共模抑制比僅由的Rg1、Rg2、Rf1、Rf2的誤差δ決定,應避免出現《放大器共模抑制比(CMRR)參數評估與電路共模抑制能力實例分析》中錯誤示例的匹配電阻配置。
圖2．55 高輸入阻抗差動電路
在將圖1(a)中,V3,V4信號源輸出與ADA4077差動放大電路之間串入緩衝器電路,得到圖2(a),保留V3,V4內阻阻值誤差為5%的條件,再次進行蒙特卡洛分析的結果如圖2(b)。
1．改善電路相比缺少緩衝器的電路,誤差提升為0．044%;
2．內阻阻值的變化不會導致輸出誤差。
圖2 信號源內阻對ADA4077差動改善電路影響
綜上,在實際的差動電路應用中,輸入信號源內阻的絕對阻值、以及相對變化不容忽略,需要在輸入級增加緩衝器電路提高電路的精度。