通過精確匹配的電阻網(wǎng)絡提高差分放大器的共模抑制比

Thomas Brand Analog Devices 公司

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(jù)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。

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：

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

或以 dB 來表示

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(xiàn)高精度，因為鏈路的精度總是取決于其精度最差的環(huán)節(jié)。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(tǒng)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(jù)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(wǎng)絡），其大部分使用薄膜技術制造并具有精確的比值穩(wěn)定性。利用這些匹配的電阻網(wǎng)絡（如 LT5400 四通道匹配電阻網(wǎng)絡），可以大幅提高放大器電路的整體 CMRR。LT5400 電阻網(wǎng)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。

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 (CMRRTotal) 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：

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(jù)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(xiàn)系統(tǒng)的高性能?；蛘?，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(yè)生涯（作為其碩士畢業(yè)論文的一部分）。2016 年5 月至 2017 年 1 月，他加入了 ADI 公司現(xiàn)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(xiàn)場應用工程師。在此職位上，他主要負責大型工業(yè)客戶。此外，他還專注于工業(yè)以太網(wǎng)領域，并支持歐洲中部地區(qū)的相關業(yè)務。

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