差分放大器(英語：differential amplifier、difference amplifier，也稱：差動放大器、差放)，是一種將兩個輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器。差分放大器是一種常用的電子放大器(也稱“功率放大器”，簡稱“功放”)和發(fā)射極耦合邏輯電路(英語：EmitterCoupledLogic, ECL)的輸入級。

有時(shí)需要在有較大共模信號的情況下測量小信號。在這類應(yīng)用中，通常使用兩個或三個運(yùn)算放大器的集成儀表放大器。 盡管儀表放大器具有出色的共模抑制比(CMRR)，但價(jià)格因素,性能指標(biāo)阻礙了其在此類應(yīng)用中的使用。

下面就來分享構(gòu)建差動放大器及其性能優(yōu)化方法!

儀表放大器可能不具備用戶要求的帶寬、直流精度或功耗。因而，在這種情況下，用戶可通過一個單放大器和外部電阻自行構(gòu)建差分放大器，以替代儀表放大器。不過，除非使用匹配良好的電阻，否則這種電路的共模抑制比將很差。本應(yīng)用筆記將探討構(gòu)建分立的差動放大器并優(yōu)化其性能的數(shù)種方法，同時(shí)還將推薦幾款可使解決方案的整體性價(jià)比能與單片儀表放大器相媲美的運(yùn)算放大器產(chǎn)品。

一起來找“茬”(問題發(fā)現(xiàn))

圖1為采用一個典型的由單放大器構(gòu)建的差動放大器，該放大器與一個傳感器橋路相連。

圖1

通過疊加原理可知，該電路的輸出為兩個輸入之差的函數(shù)。圖1所示電路的傳遞函數(shù)為：

下列情形下會出現(xiàn)一種特殊情況：當(dāng)

等式(1)可以簡化為等式(2)：

輸出等于兩個輸入之差乘以增益系數(shù)，該系數(shù)可設(shè)定為1.當(dāng)電阻比匹配良好時(shí)，等式2成立。假定完美匹配電阻值 分別為：R2 = R4 = 10 kΩ，R1 = R3 = 1 kΩ，V1 = 2.5 V， V2 = 2.6 V，則有V OUT = 1 V.

如上所述，圖1所示電路的缺點(diǎn)之一在于其共模抑制比較低，這是因電阻匹配誤差所致。出于討論方便和清晰考慮，我們重新畫出該電路圖，如圖2所示。

圖2

電阻R2的公差引起的誤差為R2 (1 – error)。通過疊加原理，同時(shí)使R1 = R3，R2 = R4，在計(jì)算并進(jìn)行排列之后，輸出電壓(VOUT )為：

根據(jù)等式3，共模增益(Acm)和差分增益(Adm)可定義為：

從等式4可見，當(dāng)電阻值不存在誤差(即error = 0)時(shí)，則 Acm = 0，放大器僅對差分電壓作出響應(yīng)，則為：

因此，當(dāng)電阻比率誤差為零(error = 0)時(shí)，電路的共模抑制比將在很大程度上取決于所選放大器的共模抑制比。當(dāng)電阻比率誤差不為零時(shí)，如圖2所示，電路 共模抑制比可表示為：

當(dāng)R2誤差極小時(shí)，以上等式中的第二項(xiàng)可忽略不計(jì)且：

對于R2 = R4 = 10 kΩ，R1 = R3 = 10 kΩ且error = 1%的單位增益分立差動放大器，其共模抑制比約為46 dB。這比單片差動放大器(AMP03)的性能差得多，后者的共模抑制比如圖3所示。

圖3. AMP03(單片差動放大器)共模抑制比與頻率的關(guān)系

如上所示， 因電阻不匹配導(dǎo)致的誤差可能構(gòu)成分立差動放大器的一大不足。但通過一些方法是可以優(yōu)化這種電路的。

好辦法助你解決問題

? a.在等式3中，差分增益與(R2/R1)之比成正比。因此，優(yōu)化以上電路性能的一種方法就是盡可能將該放大器置于一種高增益配置中(在高增益設(shè)置中使用大電阻會引發(fā)噪聲問題，同樣需要解決)。

通過選擇阻值更大的R2和R4(R2 = R4)，以及阻值更小的R1和R3(R1 = R3)，可獲得的更高的增益，這樣共模抑制比越佳。舉例來說，當(dāng)R2 = R4 = 10 kΩ、R1 = R3 = 1 kΩ且error = 0.1%時(shí)，則共模抑制比將得到改善，優(yōu)于80 dB。對高增益配置，請選擇IB極低、增益極高的放大器(如ADI公司出品的AD8551系列放大器)，以降低增益誤差。電路的增益誤差和線性度是放大器性能的函數(shù)。

圖4a. AD8605的共模抑制比(其中G = 1)

圖4b.AD8605的共模抑制比(其中G = 10)

? b.選擇公差更小和精度更高的電阻。電阻越匹配，共模抑制比越佳。例如，如果以上電路需要90 dB的共模抑制比，則電阻匹配公差應(yīng)在0.02左右。這種情況下，電路的共模抑制比將不亞于某些高精度儀表放大器，只是它們的交流和直流特性更好。

圖5a. OP1177的共模抑制比(其中G = 1)

圖5b. OP1177的共模抑制比(其中G=10)

? c.改善圖1所示電路共模抑制比的另一種方法是 使用機(jī)械微調(diào)電位計(jì)，如圖6所示。

圖6

借助這種方法，用戶可使用公差較低的電阻，但需要定期進(jìn)行調(diào)整。

? d. 作為對精度要求不高的電路的替代途徑，可 使用數(shù)字電位計(jì)，如圖7所示。AD5235(一種非易失性存儲器、雙路 1024 位數(shù)字電位計(jì))配合AD8628構(gòu)成一種差動放大器，其增益為15(G = 15)。

通過使用電位計(jì)，能獲得編程能力，可一步完成增益設(shè)置和微調(diào)。這種電路的另一優(yōu)勢在于，雙電阻(AD5235)的溫度系數(shù)為50 ppm，使電阻比率匹配更為方便。根據(jù)電路所需精度和公差，也可選擇其它數(shù)字電位計(jì)。

圖7

圖8. 圖7所示電路的共模抑制比與頻率

? e. 使用雙路或四路放大器構(gòu)建共模抑制比更佳、高輸入阻抗的儀表放大器。這是一種成本更高的解決方案，也是單片儀表放大器所用方法。應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)的放大器，比如更出色的BW、ISY和VOS，此類需求可能是儀表放大器所不能滿足的。

自穩(wěn)零放大器，如AD8628和AD855x系列是此類應(yīng)用的最佳選擇。這類放大器具有極高的直流精度，不會給輸出增加任何誤差。自穩(wěn)零放大器具有長期穩(wěn)定性，無需像某些系統(tǒng)那樣反復(fù)進(jìn)行校準(zhǔn)。自穩(wěn)零放大器的最低共模抑制比為 140 dB，因而在多數(shù)電路中，電阻匹配將成為限制因素。因此，用戶最好根據(jù)上述指南來構(gòu)建差動放大器并優(yōu)化其性能。