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(多图) 深入了解差动放大器

Harry Holt?? ADI?? 2014年09月01日 ?? 收藏5
简介

经典的四电阻差动放大器 (Differential amplifier,差分放大器) 似乎很简单,但其在电路中的性能不佳。本文从实际生产设计出发,讨论了分立式电阻、滤波、交流共模抑制和高噪声增益的不足之处。

大学里的电子学课程说明了理想运算放大器的应用,包括反相和同相放大器,然后将它们进行组合,构建差动放大器。图 1 所示的 经典四电阻差动放大器非常有用,教科书和讲座 40 多年来一直在介绍该器件。

图 1. 经典差动放大器
图 1. 经典差动放大器

该放大器的传递函数为:

若R1 = R3 且R2 = R4,则公式 1 简化为:

这种简化可以在教科书中看到,但现实中无法这样做,因为电阻永远不可能完全相等。此外,基本电路在其他方面的改变可 产生意想不到的行为。下列示例虽经过简化以显示出问题的本质,但来源于实际的应用问题。

CMRR

差动放大器的一项重要功能是抑制两路输入的共模信号。如图1 所示,假设V2 为 5 V,V1 为 3 V,则 4V为共模输入。V2 比共模电压高 1 V,而V1 低 1 V。二者之差为 2 V,因此R2/R1的"理想"增益施加于 2 V。如果电阻非理想,则共模电压的一部分将被差动放大器放大,并作为V1 和V2 之间的有效电压差出现在VOUT ,无法与真实信号相区别。差动放大器抑制这一部分电压的能力称为共模抑制(CMR)。该参数可以表示为比率的形式(CMRR),也可以转换为分贝(dB)。

在 1991 年的一篇文章中,Ramón Pallás-Areny和John Webster指出,假定运算放大器为理想运算放大器,则共模抑制可以表示为:

其中,Ad为差动放大器的增益, t 为电阻容差。因此,在单位增益和 1%电阻情况下,CMRR等于 50 V/V(或约为 34 dB);在 0.1%电阻情况下,CMRR等于 500 V/V(或约为 54 dB)—— 甚至假定运算放大器为理想器件,具有无限的共模抑制能力。若运算放大器的共模抑制能力足够高,则总CMRR受限于电阻匹配。某些低成本运算放大器具有 60 dB至 70 dB的最小CMRR,使计算更为复杂。

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差动放大器? CMRR? 高噪声增益? 滤波?

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