分立式差動(dòng)放大器與集成解決方案

Jordyn Rombola and Chau Tran

經(jīng)典的分立式差動(dòng)放大器設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。運(yùn)算放大器和四電阻網(wǎng)絡(luò)有什么復(fù)雜之處？

但是，該電路的性能可能沒(méi)有設(shè)計(jì)人員希望的那么好。本文基于實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)，展示了分立電阻遇到的一些缺點(diǎn)，包括增益精度、增益漂移、交流共模抑制（CMR）和失調(diào)漂移。

經(jīng)典的四電阻差動(dòng)放大器，如圖1所示。

圖1.經(jīng)典的分立差動(dòng)放大器。

該放大器的傳遞函數(shù)為：

當(dāng)R1 = R3且R2 = R4時(shí)，公式1簡(jiǎn)化為

這種簡(jiǎn)化可以快速接近預(yù)期信號(hào)，但這些電阻永遠(yuǎn)不會(huì)完全相等。此外，電阻通常具有低精度和高溫度系數(shù)，從而給電路帶來(lái)重大誤差。

例如，使用一個(gè)好的運(yùn)算放大器和標(biāo)準(zhǔn)的1%100 ppm/°C增益設(shè)置電阻，初始增益誤差可能高達(dá)2%，變化可能高達(dá)200 ppm/°C。 這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)解決方案是使用單片電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確的增益設(shè)置，但這些網(wǎng)絡(luò)體積龐大且昂貴。除了精度低和溫度漂移大之外，大多數(shù)分立式差分運(yùn)算放大器電路的CMR較差，輸入電壓范圍小于電源電壓。此外，單芯片儀表放大器（儀表放大器）將具有增益漂移，因?yàn)榍爸梅糯笃鞯膬?nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)與進(jìn)入RG引腳的外部增益設(shè)置電阻不匹配。

所有這些問(wèn)題的最佳解決方案是使用帶有內(nèi)部增益設(shè)置電阻的差動(dòng)放大器，例如AD8271。通常，這些產(chǎn)品由一個(gè)高精度、低失真運(yùn)算放大器和幾個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)整的電阻組成。這些電阻可以連接以創(chuàng)建各種放大器配置，包括差分、同相和反相配置。芯片上的電阻可以并聯(lián)連接，以獲得更廣泛的選擇。與分立式設(shè)計(jì)相比，使用片內(nèi)電阻器為設(shè)計(jì)人員提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)算放大器電路的直流性能在很大程度上取決于周圍電阻的精度。這些內(nèi)部電阻的布局是緊密匹配的，并經(jīng)過(guò)激光調(diào)整和匹配精度測(cè)試。因此，可以保證增益漂移、共模抑制和增益誤差等規(guī)格的高精度。圖1中的電路集成后，可提供0.1%的增益精度，增益漂移小于10 ppm/°C，如圖2所示。

圖2.增益誤差與溫度比較—AD8271與分立解決方案的關(guān)系

交流性能

集成電路中的電路尺寸比印刷電路板（PCB）小得多，因此相應(yīng)的寄生效應(yīng)因子也較小，因此有助于交流性能。例如，運(yùn)算放大器AD8271的正負(fù)輸入端不是故意引腳排列的。由于不將這些節(jié)點(diǎn)連接到PCB上的走線，電容保持較低，從而提高了環(huán)路穩(wěn)定性，并在整個(gè)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了共模抑制。有關(guān)性能比較，請(qǐng)參見(jiàn)圖 3。

圖3.CMRR與頻率比較—AD8271與分立式解決方案CMRR的比較。

差動(dòng)放大器的一個(gè)重要功能是抑制兩個(gè)輸入共有的信號(hào)。參考圖1，如果電阻R1至R4不完全匹配（或者當(dāng)增益大于1時(shí)R2、R3和R4、R1不匹配），部分共模電壓將被差動(dòng)放大器放大，出現(xiàn)在V處外作為 V1 和 V2 之間的有效差異，無(wú)法與真實(shí)信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。如果電阻不完美，部分共模電壓將被差動(dòng)放大器放大，并出現(xiàn)在V處外作為 V1 和 V2 之間的有效差異，無(wú)法與真實(shí)信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。差動(dòng)放大器抑制這種能力稱為共模抑制。這可以表示為共模抑制比（CMRR）或轉(zhuǎn)換為分貝（dB）。采用分立解決方案時(shí)，電阻的匹配程度不如集成解決方案中的激光調(diào)整電阻，如圖4中的輸出電壓與CMV的關(guān)系圖所示。

圖4.輸出電壓與共模電壓的關(guān)系—AD8271與分立解決方案的關(guān)系

假設(shè)運(yùn)算放大器為完美，CMRR為：

其中 Ad是差動(dòng)放大器的增益，T是電阻容差。因此，在單位增益和1%電阻下，CMRR為50 V/V，或約34 dB;使用0.1%電阻時(shí)，CMRR增加到54 dB。即使給定具有無(wú)限共模抑制的完美運(yùn)算放大器，整體CMRR也受到電阻匹配的限制。一些低成本運(yùn)算放大器的最小CMRR在60 dB至70 dB范圍內(nèi)，使誤差更加嚴(yán)重。

低容差電阻器

雖然放大器通常在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)良好，但必須考慮外部分立電阻的溫度系數(shù)。對(duì)于帶有集成電阻的放大器，可以對(duì)電阻進(jìn)行漂移調(diào)整和匹配。布局通常使電阻靠近在一起，以便它們一起漂移，從而降低其失調(diào)溫度系數(shù)。在分立情況下，電阻進(jìn)一步分布在PCB周圍，并且匹配得不如集成外殼，從而產(chǎn)生較差的失調(diào)溫度系數(shù)，如圖5所示。

圖5.系統(tǒng)失調(diào)與溫度的關(guān)系—AD8271與分立解決方案的關(guān)系

四電阻差動(dòng)放大器（無(wú)論是分立式還是單片式）被廣泛使用。只需將一個(gè)部件（而不是多個(gè)分立元件）放置在PCB上，就可以更快、更高效地構(gòu)建電路板，并節(jié)省大量面積。

為了實(shí)現(xiàn)可靠、值得生產(chǎn)的設(shè)計(jì)，請(qǐng)仔細(xì)考慮噪聲增益、輸入電壓范圍和 80 dB 或更高的 CMR。這些電阻器也由相同的低漂移薄膜材料制成，因此它們?cè)谡麄€(gè)溫度范圍內(nèi)的比率匹配非常出色。

結(jié)論

很容易看出具有內(nèi)部增益設(shè)置電阻的放大器和分立式差動(dòng)放大器之間的差異。

審核編輯：郭婷