解析一款常常被誤解的器件

為什么儀表放大器常常被人們誤解呢？圖1所示的三運放儀表放大器看似為一種簡(jiǎn)單的結構，因為它使用已經(jīng)存在了幾十年的基本運算放大器(op amp)來(lái)獲得差動(dòng)輸入信號。運算放大器的輸入失調電壓誤差不難理解。運算放大器開(kāi)環(huán)增益的定義沒(méi)有改變。運算放大器共模抑制的簡(jiǎn)單方法自運算放大器時(shí)代之初就已經(jīng)有了。那么，問(wèn)題出在哪里呢？

　　圖1：三運放儀表放大器，其VCM為共模電壓，而VDIFF為相同儀表放大器的差動(dòng)輸入。

　　單運算放大器和儀表放大器的共享CMR方程式如下：

　　本方程式中，G相當于系統增益，VCM為相對于接地電壓同樣施加于系統輸入端的變化電壓，而VOUT為相對于變化VCM值的系統輸出電壓變化。

　　在CMR方面，運算放大器的內部活動(dòng)很簡(jiǎn)單，其失調電壓變化是唯一的問(wèn)題。就儀表放大器而言，有兩個(gè)影響器件CMR的因素。第一個(gè)也是最重要的因素是，涉及第三個(gè)放大器（圖1，A3）電阻比率的平衡問(wèn)題。例如，如果R1等于R3，R2等于R4，則理想狀況下的三運放儀表放大器CMR為無(wú)窮大。然而，我們還是要回到現實(shí)世界中來(lái)，研究R1、R2、R3 和R4與儀表放大器CMR的關(guān)系。

　　具體而言，將R1：R2同R3：R4匹配至關(guān)重要。結合A3，這4個(gè)電阻從A1和A2的輸出減去并增益信號。電阻比之間的錯配會(huì )在A(yíng)3輸出端形成誤差。方程式2在這些電阻關(guān)系方面會(huì )形成CMR誤差：

　　例如，如果R1、R2、R3和R4接近相同值，且R3：R4等于R1/R2的1.001，則該0.1%錯配會(huì )帶來(lái)儀表放大器CMR的降低，從理想水平降至66dB級別。

　　根據方程式1，儀表放大器CMR隨系統增益的增加而增加。這是一個(gè)非常好的特性。方程式1可能會(huì )激發(fā)儀表放大器設計人員確保有許多可用增益，但是這種方法存在一定的局限性。A1和A2開(kāi)環(huán)增益誤差和噪聲。放大器的開(kāi)環(huán)增益等于20log(ΔVOUT/ΔVOS)。隨著(zhù)A1和A2增益的增加，放大器開(kāi)環(huán)增益失調誤差也隨之增加。A1和A2的輸出振幅變化一般涵蓋電源軌。儀表放大器增益更高的情況下，運算放大器的開(kāi)環(huán)增益誤差和噪聲占主導。通過(guò)RSS公式，這些誤差降低了更高增益下的儀表CMR。因此，您會(huì )看到儀表放大器的CMR性能值往往會(huì )在更高增益時(shí)達到最大值。

　　因此，從CMR角度來(lái)看，儀表放大器就像是一個(gè)在不同系統增益下器件各部分都誘發(fā)CMR誤差的系統。當您對器件的內部原理進(jìn)行研究時(shí)，它便不再如此神秘。您把各個(gè)部分都分開(kāi)來(lái)，就會(huì )一目了然。