分立差動(dòng)放大器與集成解決方案

作者：Jordyn Ansari和Chau Tran

問(wèn)題：

為什么要多花錢(qián)少辦事？

回答：

經(jīng)典的分立差動(dòng)放大器設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。一個(gè)運(yùn)算放大器和四電阻網(wǎng)絡(luò)有何復(fù)雜之處？

但是，這種電路的性能可能不像設(shè)計(jì)人員想要的那么好。本文從實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)出發(fā)，討論了與分立電阻相關(guān)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)漂移等方面。

經(jīng)典的四電阻差動(dòng)放大器如圖1所示。

圖1.經(jīng)典分立差動(dòng)放大器

該放大器電路的傳遞函數(shù)為：

若R1 = R3且R2 = R4，則公式1簡(jiǎn)化為：

這種簡(jiǎn)化有助于快速估算預(yù)期信號(hào)，但這些電阻絕不會(huì)完全相等。此外，電阻通常有低精度和高溫度系數(shù)的缺點(diǎn)，這會(huì)給電路帶來(lái)重大誤差。

例如，使用良好的運(yùn)算放大器和標(biāo)準(zhǔn)的1%、100 ppm/°C增益設(shè)置電阻，初始增益誤差最高可達(dá)2%，溫度漂移可達(dá)200ppm/°C。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一種解決方案是使用單片電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精密增益設(shè)置，但這種結(jié)構(gòu)很龐大且昂貴。除了低精度和顯著的溫度漂移之外，大多數(shù)分立差動(dòng)運(yùn)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(huì)有增益漂移，因?yàn)榍爸梅糯笃鞯膬?nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)與接入RG引腳的外部增益設(shè)置電阻不匹配。

解決所有這些問(wèn)題的最佳辦法是使用帶內(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)品由高精度、低失真運(yùn)算放大器和多個(gè)微調(diào)電阻組成。通過(guò)連接這些電阻可以創(chuàng)建各種各樣的放大器電路，包括差動(dòng)、同相和反相配置。芯片上的電阻可以并聯(lián)連接以提供更廣泛的選項(xiàng)。相比于分立設(shè)計(jì)，使用片內(nèi)電阻可為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)算放大器電路的直流性能大部分取決于周?chē)娮璧木?。這些內(nèi)部電阻布局緊密匹配，并經(jīng)過(guò)激光調(diào)整和匹配精度測(cè)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(guān)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(yīng)的寄生參數(shù)也較小，對(duì)交流性能有利。例如，AD8271運(yùn)算放大器的正負(fù)輸入端有意不提供輸出引腳。這些節(jié)點(diǎn)不連接到PCB上的走線，電容保持較低，從而提高環(huán)路穩(wěn)定性并優(yōu)化整個(gè)頻率范圍內(nèi)的共模抑制。性能比較參見(jiàn)圖3。

圖3.CMRR與頻率的關(guān)系——AD8271與分立解決方案CMRR比較

差動(dòng)放大器的一項(xiàng)重要功能是抑制兩路輸入的共模信號(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)，R1、R2和R3、R4的比率不匹配），那么部分共模電壓將被差動(dòng)放大器放大，并作為V1和V2之間的有效差壓出現(xiàn)在V_OUT處，其無(wú)法與實(shí)際信號(hào)相區(qū)分。如果電阻不理想，那么部分共模電壓將被差動(dòng)放大器放大，并作為V1和V2之間的有效差壓出現(xiàn)在V_OUT 處，其無(wú)法與實(shí)際信號(hào)相區(qū)分。差動(dòng)放大器抑制這一部分電壓的能力稱為共模抑制。該參數(shù)可以表示為共模抑制比(CMRR)或轉(zhuǎn)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(diào)整電阻匹配那么好，這可以從圖4中輸出電壓與CMV的關(guān)系曲線看出來(lái)。

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

假設(shè)使用理想運(yùn)算放大器，則CMRR為：

其中，A_d為差動(dòng)放大器的增益，t為電阻容差。因此，對(duì)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(shí)，CMRR增加到54 dB。即使采用具有無(wú)限大共模抑制的理想運(yùn)算放大器，整體CMRR也會(huì)受電阻匹配的限制。某些低成本運(yùn)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(nèi)通常表現(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，電阻可以進(jìn)行漂移調(diào)整和匹配。布局通常使電阻相互靠近，因此它們會(huì)一同漂移，從而降低其失調(diào)溫度系數(shù)。在分立情況下，電阻在PCB上散開(kāi)，匹配情況也不如集成方案，產(chǎn)生的失調(diào)溫度系數(shù)會(huì)更差，如圖5所示。

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

無(wú)論是分立式或是單芯片，四電阻差動(dòng)放大器的使用都非常廣泛。由于只有一個(gè)器件放置在PCB上，而不是多個(gè)分立元件，因此可以更快速、更高效地構(gòu)建電路板，并節(jié)省大量面積。

為了獲得穩(wěn)定且值得投入生產(chǎn)的設(shè)計(jì)，應(yīng)仔細(xì)考慮噪聲增益、輸入電壓范圍和CMR（達(dá)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(nèi)可提供出色的比例匹配。

結(jié)論

通過(guò)本文很容易看出內(nèi)置增益設(shè)置電阻的放大器與分立差動(dòng)放大器之間的區(qū)別。

Jordyn Ansari [jordyn.ansari@analog.com]是ADI公司線性產(chǎn)品和解決方案部門(mén)的產(chǎn)品工程師。她獲得伍斯特理工學(xué)院(WPI)電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)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(guó)馬薩諸塞州威明頓市的儀表放大器產(chǎn)品(IAP)部門(mén)工作。他于1990年畢業(yè)于塔夫斯大學(xué)，獲得電氣工程碩士學(xué)位。Chau擁有10多項(xiàng)專利，并撰寫(xiě)了十幾篇技術(shù)文章。

Chau Tran