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以精確匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)來提高差分放大器的CMRR

Xi5T_hbrchinese ? 來源:YXQ ? 2019-05-10 11:34 ? 次閱讀

在各種應(yīng)用領(lǐng)域,采用模擬技術(shù)時都需要使用差分放大器電路,如圖 1 所示。例如測量技術(shù),根據(jù)其應(yīng)用的不同,可能需要極高的測量精度。為了達到這一精度,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。

Figure 1. Conventional differential amplifier circuit

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,因為它只取決于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,并利用下式計算:

Equation 1

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

Equation 2a

or in dB

Equation 2b

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(xiàn)高精度,因為鏈路的精度總是取決于其精度最差的環(huán)節(jié)。因此,對于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(tǒng)電阻的阻值并不恒定。它們會受機械負(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(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。

Figure 2. Differential amplifier circuit with LT5400.

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(gòu)成。對于差分放大器,可利用公式 3 計算:

Equation 3

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。

或者,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 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,以便實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能。

或者,可以使用集成式差分放大器,如在單芯片中集成了匹配電阻的 LTC6363。


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原文標(biāo)題:陳生強:弄潮數(shù)字經(jīng)濟需要的一項技能與一種心態(tài)

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