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通過精確匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)提高差分放大器的共模抑制比

1684385 2021-01-25 | pdf | 90.41KB | 次下載 | 5積分

資料介紹

Thomas Brand Analog Devices 公司

在各種應(yīng)用領(lǐng)域，采用模擬技術(shù)時(shí)都需要使用差分放大器電路，如圖 1 所示。例如測(cè)量技術(shù)，根據(jù)其應(yīng)用的不同，可能需要極高的測(cè)量精度。為了達(dá)到這一精度，盡可能減少典型誤差源（例如失調(diào)和增益誤差，以及噪聲、容差和漂移）至關(guān)重要。為此，需要使用高精度運(yùn)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(yīng)該具有匹配的比值，而不能任意選擇。

圖 1. 傳統(tǒng)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(yīng)仔細(xì)選擇，其比值應(yīng)相同 (R2/R1 = R4/R3)。這些比值有任何偏差都將導(dǎo)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(yīng)該改變，因?yàn)樗蝗Q于兩個(gè)輸入電壓之間的差值（最大 CMRR）；但是，實(shí)際使用中情況會(huì)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(duì)于圖 1 所示的差分放大器電路，CMRR 取決于放大器本身以及外部連接的電阻。對(duì)于后者，取決于電阻的 CMRR 在本文下述部分以下標(biāo)“R”表示，并利用下式計(jì)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(chǎn)生的共模抑制比為

或以 dB 來表示

在 34 dB時(shí)，CMRRR 相對(duì)較低。在這種情況下，即使放大器具有非常好的 CMRR，也無法實(shí)現(xiàn)高精度，因?yàn)殒溌返木瓤偸侨Q于其精度最差的環(huán)節(jié)。因此，對(duì)于精密的測(cè)量電路而言，必須非常精確地選擇電阻。

實(shí)際使用中傳統(tǒng)電阻的阻值并不恒定。它們會(huì)受機(jī)械負(fù)載和溫度的影響。根據(jù)需求的不同，可以使用具有不同容差的電阻或匹配電阻對(duì)（或網(wǎng)絡(luò)），其大部分使用薄膜技術(shù)制造并具有精確的比值穩(wěn)定性。利用這些匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)（如 LT5400 四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)），可以大幅提高放大器電路的整體 CMRR。LT5400 電阻網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有出色的匹配性，結(jié)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(dá)到 86 dB。然而，放大器電路的總共模抑制比 (CMRRTotal) 由電阻 CMRR 和運(yùn)算放大器共模抑制比 CMRROP 的組合構(gòu)成。對(duì)于差分放大器，可利用公式 3 計(jì)算：

例如，LT1468 提供的 CMRROP 典型值為 112 dB，采用 LT5400 的增益為 G = 1，其 CMRRTotal 的值為 85.6 dB?；蛘?，可以使用集成式差分放大器，如 LTC6363。這種放大器在單芯片中內(nèi)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(dá) 90 dB 以上。

結(jié)論

必須根據(jù)差分放大器電路的精度要求仔細(xì)選擇外部電阻電路，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能?；蛘撸梢允褂眉墒讲罘址糯笃?，如在單芯片中集成了匹配電阻的 LTC6363。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand 于 2015 年 10 月在 ADI 慕尼黑公司開始了自己的職業(yè)生涯（作為其碩士畢業(yè)論文的一部分）。2016 年5 月至 2017 年 1 月，他加入了 ADI 公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師培訓(xùn)生項(xiàng)目，并在此項(xiàng)目結(jié)束后于 2017 年 2 月正式成為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。在此職位上，他主要負(fù)責(zé)大型工業(yè)客戶。此外，他還專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域，并支持歐洲中部地區(qū)的相關(guān)業(yè)務(wù)。

他畢業(yè)于莫斯巴赫的合作教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。