Jordyn Rombola and Chau Tran

經典的分立式差動放大器設計非常簡單。運算放大器和四電阻網絡有什么復雜之處？

但是，該電路的性能可能沒有設計人員希望的那么好。本文基于實際生產設計，展示了分立電阻遇到的一些缺點，包括增益精度、增益漂移、交流共模抑制（CMR）和失調漂移。

經典的四電阻差動放大器，如圖1所示。

圖1.經典的分立差動放大器。

該放大器的傳遞函數為：

當R1 = R3且R2 = R4時，公式1簡化為

這種簡化可以快速接近預期信號，但這些電阻永遠不會完全相等。此外，電阻通常具有低精度和高溫度系數，從而給電路帶來重大誤差。

例如，使用一個好的運算放大器和標準的1%100 ppm/°C增益設置電阻，初始增益誤差可能高達2%，變化可能高達200 ppm/°C。 這個問題的一個解決方案是使用單片電阻網絡進行精確的增益設置，但這些網絡體積龐大且昂貴。除了精度低和溫度漂移大之外，大多數分立式差分運算放大器電路的CMR較差，輸入電壓范圍小于電源電壓。此外，單芯片儀表放大器（儀表放大器）將具有增益漂移，因為前置放大器的內部電阻網絡與進入RG引腳的外部增益設置電阻不匹配。

所有這些問題的最佳解決方案是使用帶有內部增益設置電阻的差動放大器，例如AD8271。通常，這些產品由一個高精度、低失真運算放大器和幾個經過調整的電阻組成。這些電阻可以連接以創建各種放大器配置，包括差分、同相和反相配置。芯片上的電阻可以并聯連接，以獲得更廣泛的選擇。與分立式設計相比，使用片內電阻器為設計人員提供了幾個優勢。

運算放大器電路的直流性能在很大程度上取決于周圍電阻的精度。這些內部電阻的布局是緊密匹配的，并經過激光調整和匹配精度測試。因此，可以保證增益漂移、共模抑制和增益誤差等規格的高精度。圖1中的電路集成后，可提供0.1%的增益精度，增益漂移小于10 ppm/°C，如圖2所示。

圖2.增益誤差與溫度比較—AD8271與分立解決方案的關系

交流性能

集成電路中的電路尺寸比印刷電路板（PCB）小得多，因此相應的寄生效應因子也較小，因此有助于交流性能。例如，運算放大器AD8271的正負輸入端不是故意引腳排列的。由于不將這些節點連接到PCB上的走線，電容保持較低，從而提高了環路穩定性，并在整個頻率范圍內實現了共模抑制。有關性能比較，請參見圖 3。

圖3.CMRR與頻率比較—AD8271與分立式解決方案CMRR的比較。

差動放大器的一個重要功能是抑制兩個輸入共有的信號。參考圖1，如果電阻R1至R4不完全匹配（或者當增益大于1時R2、R3和R4、R1不匹配），部分共模電壓將被差動放大器放大，出現在V處外作為 V1 和 V2 之間的有效差異，無法與真實信號區分開來。如果電阻不完美，部分共模電壓將被差動放大器放大，并出現在V處外作為 V1 和 V2 之間的有效差異，無法與真實信號區分開來。差動放大器抑制這種能力稱為共模抑制。這可以表示為共模抑制比（CMRR）或轉換為分貝（dB）。采用分立解決方案時，電阻的匹配程度不如集成解決方案中的激光調整電阻，如圖4中的輸出電壓與CMV的關系圖所示。

圖4.輸出電壓與共模電壓的關系—AD8271與分立解決方案的關系

假設運算放大器為完美，CMRR為：

其中 Ad是差動放大器的增益，T是電阻容差。因此，在單位增益和1%電阻下，CMRR為50 V/V，或約34 dB;使用0.1%電阻時，CMRR增加到54 dB。即使給定具有無限共模抑制的完美運算放大器，整體CMRR也受到電阻匹配的限制。一些低成本運算放大器的最小CMRR在60 dB至70 dB范圍內，使誤差更加嚴重。

低容差電阻器

雖然放大器通常在規定的工作溫度范圍內表現良好，但必須考慮外部分立電阻的溫度系數。對于帶有集成電阻的放大器，可以對電阻進行漂移調整和匹配。布局通常使電阻靠近在一起，以便它們一起漂移，從而降低其失調溫度系數。在分立情況下，電阻進一步分布在PCB周圍，并且匹配得不如集成外殼，從而產生較差的失調溫度系數，如圖5所示。

圖5.系統失調與溫度的關系—AD8271與分立解決方案的關系

四電阻差動放大器（無論是分立式還是單片式）被廣泛使用。只需將一個部件（而不是多個分立元件）放置在PCB上，就可以更快、更高效地構建電路板，并節省大量面積。

為了實現可靠、值得生產的設計，請仔細考慮噪聲增益、輸入電壓范圍和 80 dB 或更高的 CMR。這些電阻器也由相同的低漂移薄膜材料制成，因此它們在整個溫度范圍內的比率匹配非常出色。

結論

很容易看出具有內部增益設置電阻的放大器和分立式差動放大器之間的差異。

審核編輯：郭婷