如何通過精確匹配的電阻網絡提高差分放大器的共模抑制比

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。例如測量技術，根據其應用的不同，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。

圖 1. 傳統(tǒng)的差分放大器電路。

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

or in dB

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絡（如LT5400四通道匹配電阻網絡），可以大幅提高放大器電路的整體 CMRR。LT5400 電阻網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。

圖 2. 帶有 LT5400 的差分放大器電路。

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：在設計中必須根據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。