1. 差分放大器結(jié)構(gòu)
話不多說,直接干貨,圖1是差分放大電路的基本結(jié)構(gòu),由一個(gè)運(yùn)算放大器和4個(gè)外圍匹配電阻組成,常用來進(jìn)行電流檢測或差分信號(hào)放大,差分放大器有幾個(gè)固有的弊端,如果不了解這些弊端,將影響我們的電路設(shè)計(jì),看看這些弊端,你知道幾個(gè)?(本文整理自看海的原創(chuàng)視頻課程《運(yùn)放秘籍》第二部:儀表放大器專項(xiàng))
圖1 差分放大電路
2. 差分放大器弊端一:輸入阻抗低
差分放大器的輸入阻抗非常低,這與它的匹配電阻相關(guān),而且差分放大器兩個(gè)輸入端的阻抗并不對稱。怎么計(jì)算兩個(gè)輸入端的輸入阻抗呢?
如圖1 中,計(jì)算Vi-的輸入阻抗時(shí),我們只看Vi-,忽略Vi+,參考圖2 左圖。此時(shí)的電路是一個(gè)反相放大的結(jié)構(gòu),由《運(yùn)放秘籍》前期課程可知,反相放大電路的輸入阻抗就約等于輸入電阻R1。
圖2 差分放大輸入阻抗計(jì)算
計(jì)算Vi+的輸入阻抗時(shí),我們只看Vi+,忽略Vi-,參考圖2 右圖。此時(shí)的電路類似一個(gè)同相放大的結(jié)構(gòu),Vi+是被R1和R2分壓后再被同相放大的,Vi+經(jīng)過R1和R2到地,因此,Vi+的輸入阻抗大約是電阻(R1+R2)的值。
我們做下輸入阻抗的仿真,見圖3 ,Vi-的輸入阻抗是1KΩ,Vi+的輸入阻抗是11KΩ,與我們前文分析的一致,詳細(xì)仿真方法參考《運(yùn)放秘籍》完整內(nèi)容。
圖3差分放大輸入阻抗仿真
差分放大器的輸入阻抗不但低,而且兩個(gè)輸入端的阻抗并不對稱,如果連接到差分放大器的信號(hào)源的兩個(gè)引腳源阻抗不匹配,也會(huì)降低CMRR,這就是差分放大電路的二:共模抑制比低。
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3. 差分放大器弊端二:共模抑制比低
差分放大器最完美的狀態(tài)是圖1電路中的兩個(gè)R1完全相等、兩個(gè)R2完全相等,然而,我們無法找到兩個(gè)阻值一模一樣的電阻,常見的電阻也有1%的誤差。這會(huì)使得電阻失配,將大大降低共模抑制比CMRR。
圖4 中,我們簡單體會(huì)下差分放大器的CMRR,左邊仿真圖中,電阻是完全匹配的,輸入的共模信號(hào)是0.1V@50Hz,此時(shí)輸出是10uV,也就是說0.1V的共模輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換成了10uV的輸出信號(hào)(虛擬運(yùn)放模型的CMRR是100dB),換句話說就是,在外圍電阻完全匹配的情況下,差分放大器的CMRR并不是無窮大,這受限于運(yùn)算放大器。
圖4 差分放大CMRR與電阻失配
而圖4右圖中,我們只把其中的一個(gè)電阻,按照最大誤差1%從1KΩ改成了1.01KΩ,則在相同共模輸入的情況下,輸出變成了大約1000uV,是左圖的10uV的100倍。這就是電阻失配,將降低共模抑制比,使得抑制共模干擾的能力大大降低。
能不能增加差分放大電路的輸入阻抗和共模抑制比?于是,就有了經(jīng)典的3運(yùn)放儀表放大器。
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