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在上期中，我們探討了一種用于 48V 電動汽車冗余電源的級聯理想二極管與瞬態鉗位網絡的全新方案。

本期，為大家帶來的是《分立式與集成式差分放大器對比》，介紹了集成式差分放大器與分立式方案的實測性能對比，以解決高精度電壓/電流檢測應用中如何選擇更優實施方案的問題。

引言

利用運算放大器（運放）和電阻器網絡，可以構建多種實用電路，差分放大器 (DA)便是其中之一。借助 DA，可以測量兩個信號之間的差值，這對于太陽能電池板、移動電源和其他 DC/DC 模塊等系統中的電流和電壓檢測非常有用。此外，許多 DA 可以施加增益，向信號添加基準電壓，以及抑制輸入信號產生的共模噪聲。

DA 主要有兩種類型：分立式（使用外部電阻器）和集成式（使用單片或片上電阻器）。本文將通過實測數據（包括偏移電壓、共模抑制比 [CMRR]、增益誤差及增益誤差溫漂）對這兩種 DA 實施方案進行對比分析。

增益誤差

如圖 1 所示，典型的 DA 由一個運算放大器和四個電阻器組成。R1/R2 電阻梯的中點連接到運放的反相端子，而 R3/R4 的中點連接到同相端子。

圖 1 一種典型 DA

公式 1 描述了一種典型 DA 的傳遞函數。請注意，R2 和 R1 的比率（假設 R1 = R3、R2 = R4）決定了增益。如果要嘗試實現低增益誤差，則需要匹配電阻器。容差為 ±1% 的電阻器可能會產生高達 2% 的增益誤差。分立式電阻器的性能表現可能存在較大差異，而集成式 DA 中的單片電阻器通常經過修整，可實現低至 0.01% 的增益誤差。

方程式1.

增益誤差漂移

增益漂移是另一個重要參數，尤其是在一天中或整個運行過程中溫度可能會波動的系統中，例如太陽能電池板、電機驅動器和電池組等。由于TI INA600 DA的薄膜電阻器都集成與同一封裝內并相互交錯，所有四個電阻器都會感知到溫度波動，進而會在保持相同增益比的同時產生漂移。在采用外部電阻器的分立式實施方案中，DA 的增益漂移性能可能存在很大差異，因為溫度產生的應力會在電路板表面形成梯度分布，進而導致輸入信號上施加的增益發生變化。

失調電壓

對輸入信號施加增益時，偏移電壓的大小會顯著影響輸出信號上引入的誤差量。因此，我們建議在電壓或電流檢測應用中優先選擇具有出色偏移電壓的運放。在構建分立式 DA 時，您可以靈活選用任何可用的運放作為設計核心；而集成式 DA 的偏置電壓則是固定的，且取決于內部運放。不過，借助諸如e-Trim 運算放大器技術等電阻器修整方法，可以降低集成式 DA 的偏置電壓。

CMRR

對于電壓和電流檢測應用，在考慮 DA 時，抑制共模信號的能力是一個主要考慮因素。與增益誤差類似，CMRR將取決于所使用元件（例如電阻器）的匹配情況。雖然典型運放的 CMRR 可能高達 100dB，但引入失配電阻器可能使 CMRR 驟降至 60dB，因此它們不太適合嘈雜環境中的工業系統。典型集成式 DA 的 CMRR 通常保持在 90dB 以上，最高可達 130dB。

支持超電源軌電壓監測的增益配置

DA 通常采用單位增益配置（意味著增益 = 1），但增益可以在 0.5 至 2 之間變化。通過更改 DA 中電阻器網絡的值，可以針對需要更大衰減來將電壓降至 ADC 輸入范圍（3.3V 或 5V）的不同應用實現寬范圍的增益比。如圖 2 所示，更改電阻器網絡值可實現更大的衰減。

圖 2 INA600A DA 與 INA597 DA 的比較

DA 的一個被忽略的優勢是能夠讓輸入超出電源軌范圍。電阻梯會對 DA 的輸入電壓進行分壓，因此集成放大器收到的輸入僅是衰減后的電壓。使用標準運放時，電源電壓會限制共模電壓范圍。DA 的這種靈活性使其適用于在可用電源軌數量有限時監測更高的電壓。如圖 3 所示，輸入電壓范圍擴展到了 DA 的建議電源電壓范圍以外。

圖 3 INA600 DA 的建議運行條件

在功率密度較高的系統中，開關頻率提升和印刷電路板布線引起的寄生電感增加可能會導致額外的電壓擾動，進而影響電壓監測精度，因為共模噪聲無法完全消除。雖然采用高 CMRR 的集成式 DA 將消除在輸入端觀察到的任何共模噪聲，但考慮到電阻器的輕微失配（尤其是在增益比較高時），很難通過分立式 DA 中的外部電阻器實現高 CMRR。

公式 2 表示寄生電感和開關頻率對信號的電壓擾動量的影響：

方程式2.

圖 4 展示了集成式 DA 的 CMRR 隨頻率變化的性能。

圖 4 INA600 DA 的輸出參考 CMRR 與頻率間的關系

測試設置與對比

我們使用了CMRR 和偏移電壓誤差作為衡量各電路在不同溫度下的性能表現的指標。對于每個器件，我們將一個精密源測量單元連接到 DA 的兩個輸入引腳，并使用經過校準的 8.5 位數字萬用表測量偏移電壓變化。所有測試均經過五次掃描并取平均值，以精確反映器件性能。測試配置為：共模電壓掃描范圍 -35V 至 35V，采用 ±18V 雙電源配置。我們使用烘箱進行了過熱測試，并留出足夠的浸泡時間，以確保整個測試板的溫度一致。

通過在器件輸入端施加差分電壓，并將共模電壓保持在中點值，可同步測試增益誤差與增益誤差漂移。使用相應的輸入范圍掃描每個器件，強制其輸出介于 -10V 至 +10V 之間，這樣就可以比較實際斜率與理想斜率，從而評估增益誤差的百分比。

表 1 比較了在不同工作溫度下分立式 DA 和兩個 TI 集成式 DA 的 CMRR 性能和偏移。

表 1 CMRR 和偏移電壓比較

表 2 比較了相同的分立式 DA 和集成式 DA 在不同工作溫度下的增益誤差和漂移性能。

表 2 增益誤差和漂移比較

正如預期的那樣，與分立式 DA 相比，集成式 DA 在實現高 CMRR、低增益誤差和低增益誤差漂移方面表現尤為出色。雖然分立式 DA 的偏移電壓性能優于其中一個集成式 DA，但可以通過軟件校準對此進行補償。

圖 5 顯示了三種 DA 型號各自的簡化布局，并比較了每種解決方案的尺寸。出于比較目的，我們使用了最小的器件封裝，以及采用 0402 封裝的電阻器和電容器。

圖 5 尺寸比較

結語

雖然有很多方法可以實現電壓檢測，但集成式 DA 提供了分立式實施方案難以企及的卓越性能優勢。對于TI INA600 等集成式差分放大器，運放電源電壓導致的輸入電壓限制不再構成設計障礙，同時高衰減比特性使其在監測超過電源軌的電壓時具有更高的靈活性。