從生產(chǎn)設(shè)計出發(fā)談?wù)劜顒臃糯笃鞯牟蛔?/h1>

來源：網(wǎng)絡(luò)?作者：佚名? 2017-02-06 15:57 ? 次閱讀 ? 個評論

經(jīng)典的四電阻差動放大器 （Differential amplifier，差分放大器） 似乎很簡單，但其在電路中的性能不佳。本文從實際生產(chǎn)設(shè)計出發(fā)，討論了分立式電阻、濾波、交流共模抑制和高噪聲增益的不足之處。

大學(xué)里的電子學(xué)課程說明了理想運算放大器的應(yīng)用，包括反相和同相放大器，然后將它們進行組合，構(gòu)建差動放大器。圖 1 所示的 經(jīng)典四電阻差動放大器非常有用，教科書和講座 40 多年來一直在介紹該器件。

圖 1. 經(jīng)典差動放大器

該放大器的傳遞函數(shù)為：

若R1 = R3 且R2 = R4，則公式 1 簡化為：

這種簡化可以在教科書中看到，但現(xiàn)實中無法這樣做，因為電阻永遠不可能完全相等。此外，基本電路在其他方面的改變可 產(chǎn)生意想不到的行為。下列示例雖經(jīng)過簡化以顯示出問題的本質(zhì)，但來源于實際的應(yīng)用問題。

CMRR

差動放大器的一項重要功能是抑制兩路輸入的共模信號。如圖1 所示，假設(shè)V2 為 5 V，V1 為 3 V，則4V為共模輸入。V2 比共模電壓高 1 V，而V1 低 1 V。二者之差為 2 V，因此R2/R1的“理想”增益施加于2 V。如果電阻非理想，則共模電壓的一部分將被差動放大器放大，并作為V1 和V2 之間的有效電壓差出現(xiàn)在VOUT ，無法與真實信號相區(qū)別。差動放大器抑制這一部分電壓的能力稱為共模抑制（CMR）。該參數(shù)可以表示為比率的形式（CMRR），也可以轉(zhuǎn)換為分貝（dB）。

在1991 年的一篇文章中，Ramón Pallás-Areny和John Webster指出，假定運算放大器為理想運算放大器，則共模抑制可以表示為：

其中，Ad為差動放大器的增益， t 為電阻容差。因此，在單位增益和 1%電阻情況下，CMRR等于 50 V/V（或約為 34 dB）;在 0.1%電阻情況下，CMRR等于 500 V/V（或約為 54 dB）-- 甚至假定運算放大器為理想器件，具有無限的共模抑制能力。若運算放大器的共模抑制能力足夠高，則總CMRR受限于電阻匹配。某些低成本運算放大器具有 60 dB至 70 dB的最小CMRR，使計算更為復(fù)雜。

低容差電阻

第一個次優(yōu)設(shè)計如圖 2 所示。該設(shè)計為采用OP291 的低端電流檢測應(yīng)用。R1 至R4 為分立式 0.5%電阻。由Pallás-Areny文章中的公式可知，最佳CMR為 64 dB.幸運的是，共模電壓離接地很近，因此CMR并非該應(yīng)用中主要誤差源。具有 1%容差的電流檢測電阻會產(chǎn)生 1%誤差，但該初始容差可以校準或調(diào)整。然而，由于工作范圍超過 80°C，因此必須考慮電阻的溫度系數(shù)。

圖 2. 具有高噪聲增益的低端檢測

針對極低的分流電阻值，應(yīng)使用 4 引腳開爾文檢測電阻。采用高精度 0.1 Ω電阻，并以幾十分之一英寸的PCB走線直接連接該電阻很容易增加 10 mΩ，導(dǎo)致10%以上的誤差。但誤差會更大，因為PCB上的銅走線溫度系數(shù)超過 3000 ppm。

分流電阻值必須仔細選擇。數(shù)值更高則產(chǎn)生更大的信號。這是 好事，但功耗（I2R） 也會隨之增加，可能高達數(shù)瓦。采用較小的 數(shù)值（mΩ級別），則線路和PCB走線的寄生電阻可能會導(dǎo)致較 大的誤差。通常使用開爾文檢測來降低這些誤差。可以使用一 個特殊的四端電阻（比如Ohmite LVK系列），或者對PCB布局進行優(yōu)化以使用標準電阻。若數(shù)值極小，可以使用PCB 走線，但這樣不會很精確。

商用四端電阻（比如Ohmite或Vishay的產(chǎn)品）可能需要數(shù)美元或更昂貴，才能提供 0.1%容差和極低溫度系數(shù)。進行完整的誤差預(yù)算分析可以顯示如何在成本增加最少的情況下改善精度。

有關(guān)無電流流過檢測電阻卻具有較大失調(diào)（31mV）的問題，是“軌到軌”運算放大器無法一路擺動到負電源軌（接地）引起 的。術(shù)語“軌到軌”具有誤導(dǎo)性：輸出將會靠近電源軌--比經(jīng)典發(fā)射極跟隨器的輸出級要近得多--但永遠不會真正到達電源軌。軌到軌運算放大器具有最小輸出電壓VOL，數(shù)值等 于VCE（SAT） 或RDS（ON） × ILOAD。若失調(diào)電壓等于 1.25 mV，噪聲增益等于 30，則輸出等于：1.25 mV × 30 = ±37.5 mV（由于存在VOS，加上VOL導(dǎo)致的 35 mV）。根據(jù)VOS極性不同，無負載電流的情況下輸出可能高達 72.5 mV。若VOS 最大值為 30μV，且VOL 最大值為 8 mV，則現(xiàn)代零漂移放大器（如 AD8539）可將總誤差降低至主要由檢測電阻所導(dǎo)致的水平。

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• 差動放大器(63457) 差動放大器(63457)
• 噪聲增益(9032) 噪聲增益(9032)
• 共模抑制(5004) 共模抑制(5004)

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