分立差動(dòng)放大器與集成解決方案

摘要：連接設備大多設在戶(hù)外，且選件數量龐大。只有充分了解相關(guān)應用需求和產(chǎn)品功能并審慎選擇， 才能選定最適用的連接器來(lái)打造出卓越的系統。

關(guān)鍵詞：連接器；選擇；惡劣；極端

0  引言

問(wèn)題：為什么要多花錢(qián)少辦事？

　　回答：經(jīng)典的分立差動(dòng)放大器設計非常簡(jiǎn)單。一個(gè)運算放大器和四電阻網(wǎng)絡(luò )有何復雜之處？但是，這種電路的性能可能不像設計人員想要的那么好。本文從實(shí)際生產(chǎn)設計出發(fā)，討論了與分立電阻相關(guān)的一些缺點(diǎn)，包括增益精度、增益漂移、交流共模抑制(CMR)和失調漂移等方面。經(jīng)典的四電阻差動(dòng)放大器如圖1所示。

       該放大器的傳遞函數為：

       若 R1 = R3且 R2 = R4，則公式1簡(jiǎn)化為：

　　這種簡(jiǎn)化有助于快速估算預期信號，但這些電阻絕不會(huì )完全相等。此外，電阻通常有低精度和高溫度系數的缺點(diǎn)，這會(huì )給電路帶來(lái)重大誤差。

　　例如，使用良好的運算放大器和標準的1%、100 ppm/℃增益設置電阻，初始增益誤差最高可達2%，溫度漂移可達200 ppm/℃。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一種解決方案是使用單片電阻網(wǎng)絡(luò )實(shí)現精密增益設置，但這種結構很龐大且昂貴。除了低精度和顯著(zhù)的溫度漂移之外，大多數分立差動(dòng)運算放大器電路的CMR也較差，并且輸入電壓范圍小于電源電壓。此外，單片儀放大器會(huì )有增益漂移，因為前置放大器的內部電阻網(wǎng)絡(luò )與接入RG引腳的外部增益設置電阻不匹配。

　　解決所有這些問(wèn)題的最佳辦法是使用帶內部增益設置電阻的差動(dòng)放大器，例如AD8271。通常，這些產(chǎn)品由高精度、低失真運算放大器和多個(gè)微調電阻組成。通過(guò)連接這些電阻可以創(chuàng )建各種各樣的放大器電路，包括差動(dòng)、同相和反相配置。芯片上的電阻可以并聯(lián)連接以提供更廣泛的選項。相比于分立設計，使用片內電阻可為設計人員帶來(lái)多項優(yōu)勢。

　　運算放大器電路的直流性能大部分取決于周?chē)娮璧木?。這些內部電阻布局緊密匹配，并經(jīng)過(guò)激光調整和匹配精度測試。因此，它能保證增益漂移、共模抑制和增益誤差等特性高度精確。圖1所示的電路集成后可提供0.1%的增益精度和小于10 ppm/℃的增益漂移，如圖2所示。

1  交流性能

　　在電路尺寸方面，集成電路比印刷電路板(PCB)小得多，因此相應的寄生參數也較小，對交流性能有利。例如，AD8271運算放大器的正負輸入端有意不提供輸出引腳。這些節點(diǎn)不連接到PCB上的走線(xiàn)，電容保持較低，從而提高環(huán)路穩定性并優(yōu)化整個(gè)頻率范圍內的共模抑制。性能比較參見(jiàn)圖3。

圖3 CMRR與頻率的關(guān)系——AD8271與分立解決方案CMRR比較

　　差動(dòng)放大器的一項重要功能是抑制兩路輸入的 共模信號。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(shí)， R1、 R2和 R3、 R4的比率不匹 配），那么部分共模電壓將被差動(dòng)放大器放大，并作 為 V1和 V2之間的有效差壓出現在 V_OUT處，其無(wú)法與實(shí) 際信號相區分。如果電阻不理想，那么部分共模電壓 將被差動(dòng)放大器放大，并作為 V1和 V2之間的有效差壓 出現在 V_OUT 處，其無(wú)法與實(shí)際信號相區分。差動(dòng)放大 器抑制這一部分電壓的能力稱(chēng)為共模抑制。該參數可 以表示為共模抑制比(CMRR)或轉換為分貝(dB)。分立 解決方案的電阻匹配不如集成解決方案中的激光調整 電阻匹配那么好，這可以從圖4中輸出電壓與CMV的 關(guān)系曲線(xiàn)看出來(lái)。

　　其中， A_d為差動(dòng)放大器的增益， t為電阻容差。因 此，對于單位增益和1%電阻，CMRR為50 V/V或約34 dB；使用0.1%電阻時(shí)，CMRR增加到54 dB。即使采用 具有無(wú)限大共模抑制的理想運算放大器，整體CMRR也 會(huì )受電阻匹配的限制。某些低成本運算放大器具有60 dB至70 dB的最小CMRR，使誤差更為糟糕。

2  低容差電阻

　　放大器在其指定工作溫度范圍內通常表現良好，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，電阻可以進(jìn)行漂移調整和匹配。布局通常使電阻 相互靠近，因此它們會(huì )一同漂移，從而降低其失調溫度系 數。在分立情況下，電阻在PCB上散開(kāi)，匹配情況也不如 集成方案，產(chǎn)生的失調溫度系數會(huì )更差，如圖5所示。

　　無(wú)論是分立式或是單芯片，四電阻差動(dòng)放大器的使 用都非常廣泛。由于只有一個(gè)器件放置在PCB上，而不 是多個(gè)分立元件，因此可以更快速、更高效地構建電路 板，并節省大量面積。

　　為了獲得穩定且值得投入生產(chǎn)的設計，應仔細考 慮噪聲增益、輸入電壓范圍和CMR（達到80 dB或更 高）。這些電阻均采用相同的低漂移薄膜材料制成，因 此在一定溫度范圍內可提供出色的比例匹配。　

3  結論

       通過(guò)本文很容易看出內置增益設置電阻的放大器與 分立差動(dòng)放大器之間的區別。

作者簡(jiǎn)介：

  　Jordyn Ansari，ADI線(xiàn)性產(chǎn)品和解決方案部門(mén)的產(chǎn)品工程師，2014年1月加入ADI公司。郵箱：jordyn. ansari@analog.com。

　　Chau Tran，碩士，ADI儀表放大器產(chǎn)品(IAP)部門(mén)工作，擁有10多項專(zhuān)利，并撰寫(xiě)了十幾篇技術(shù)文章， 1984年加入ADI公司。郵箱：chau.tran@analog.com。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第26頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）