關鍵詞： 差分放大器 , 電阻網絡 , CMRR

作者：Analog Devices 公司Thomas Brand

在各種應用領域，采用模擬技術時都需要使用差分放大器電路，如圖 1 所示 。例如測量技術，根據其應用的不同，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 (例如失調和增益誤差，以及噪聲、容差和漂移) 至關重要。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，它們應該具有匹配的比值，而不能任意選擇。
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圖 1.傳統的差分放大器電路。

理想情況下，差分放大器電路中的電阻應仔細選擇，其比值應相同 (R2/R1 = R4/R3)。這些比值有任何偏差都將導致不良的共模誤差。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“R”表示，并利用下式計算：

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(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％ 的電阻產生的共模抑制比為

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或以 dB 來表示

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(2)

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，也無法實現高精度，因為鏈路 的精度總是取決于其精度最差的環節。因此，對于精密的測量電路而言，必須非常精確地選擇電阻。

實際使用中傳統電阻的阻值并不恒定。它們會受機械負載和溫度的影響。根據需求的不同，可以使用具有不同容差的電阻或匹配電阻對 (或網絡)，其大部分使用薄膜技術制造并具有精確的比值穩定性。利用這些匹配的電阻網絡 (如 LT5400 四通道匹配電阻網絡)，可以大幅提高放大器電路的整體 CMRR。LT5400 電阻網絡在整個溫度范圍內具有出色的匹配性，結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。
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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 (CMRR ) 由電阻 CMRR 和 運算放大器共模抑制比 CMRROP 的組合構成。對于差分放大器，可利用公式 3 計算：

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(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。

結論

必須根據差分放大器電路的精度要求仔細選擇外部電阻電路，以便實現系統的高性能。

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。

作者簡介

Thomas Brand 于 2015 年 10 月在 ADI 慕尼黑公司開始了自己的職業生涯 (作為其碩士畢業論文的一部分)。2016 年 5 月至 2017 年 1 月，他加入了 ADI 公司現場應用工程師培訓生項目，并在此項目結束后于 2017 年 2 月正式成為現場應用工程師。在此職位上，他主要負責大型工業客戶。此外，他還專注于工業以太網領域，并支持歐洲中部地區的相關業務。

他畢業于莫斯巴赫的合作教育大學電氣工程專業，之后在康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。聯系方式：thomas.brand@analog.com。 ?