作者：Jordyn Ansari和Chau Tran

問題：

為什么要多花錢少辦事？

回答：

經典的分立差動放大器設計非常簡單。一個運算放大器和四電阻網絡有何復雜之處？

但是，這種電路的性能可能不像設計人員想要的那么好。本文從實際生產設計出發，討論了與分立電阻相關的一些缺點，包括增益精度、增益漂移、交流共模抑制(CMR)和失調漂移等方面。

經典的四電阻差動放大器如圖1所示。

圖1.經典分立差動放大器

該放大器電路的傳遞函數為：

若R1 = R3且R2 = R4，則公式1簡化為：

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

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

解決所有這些問題的最佳辦法是使用帶內部增益設置電阻的差動放大器，例如AD8271。通常，這些產品由高精度、低失真運算放大器和多個微調電阻組成。通過連接這些電阻可以創建各種各樣的放大器電路，包括差動、同相和反相配置。芯片上的電阻可以并聯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多項優勢。

運算放大器電路的直流性能大部分取決于周圍電阻的精度。這些內部電阻布局緊密匹配，并經過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/°C的增益漂移，如圖2所示。

圖2.增益誤差與溫度的關系——AD8271與分立解決方案比較

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。這些節點不連接到PCB上的走線，電容保持較低，從而提高環路穩定性并優化整個頻率范圍內的共模抑制。性能比較參見圖3。

圖3.CMRR與頻率的關系——AD8271與分立解決方案CMRR比較

差動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，R1、R2和R3、R4的比率不匹配），那么部分共模電壓將被差動放大器放大，并作為V1和V2之間的有效差壓出現在V_OUT處，其無法與實際信號相區分。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，其無法與實際信號相區分。差動放大器抑制這一部分電壓的能力稱為共模抑制。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的關系曲線看出來。

圖4.輸出電壓與共模電壓的關系——AD8271與分立解決方案比較

假設使用理想運算放大器，則CMRR為：

其中，A_d為差動放大器的增益，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，CMRR增加到54 dB。即使采用具有無限大共模抑制的理想運算放大器，整體CMRR也會受電阻匹配的限制。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。

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，電阻可以進行漂移調整和匹配。布局通常使電阻相互靠近，因此它們會一同漂移，從而降低其失調溫度系數。在分立情況下，電阻在PCB上散開，匹配情況也不如集成方案，產生的失調溫度系數會更差，如圖5所示。

圖5.系統失調與溫度的關系——AD8271與分立解決方案比較

無論是分立式或是單芯片，四電阻差動放大器的使用都非常廣泛。由于只有一個器件放置在PCB上，而不是多個分立元件，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。

結論

通過本文很容易看出內置增益設置電阻的放大器與分立差動放大器之間的區別。

Jordyn Ansari [jordyn.ansari@analog.com]是ADI公司線性產品和解決方案部門的產品工程師。她獲得伍斯特理工學院(WPI)電氣和計算機工程學士學位后，于2014年1月加入ADI公司。

Jordyn Ansari

Chau Tran [chau.tran@analog.com]于1984年加入ADI公司，目前在位于美國馬薩諸塞州威明頓市的儀表放大器產品(IAP)部門工作。他于1990年畢業于塔夫斯大學，獲得電氣工程碩士學位。Chau擁有10多項專利，并撰寫了十幾篇技術文章。

Chau Tran