什么是差動(dòng)放大器有何特點(diǎn)

差動(dòng)放大電路又叫差分電路，他不僅能有效地放大交流信號(hào)，而且能有效地減小由于電源波動(dòng)和晶體管隨溫度變化而引起的零點(diǎn)漂移，因而獲得廣泛的應(yīng)用。特別是大量的應(yīng)用于集成運(yùn)放電路，他常被用作多級(jí)放大器的前置級(jí)。

大學(xué)里的電子學(xué)課程說明了理想運(yùn)算放大器的應(yīng)用，包括反相和同相放大器，然后將它們進(jìn)行組合，構(gòu)建差動(dòng)放大器。圖1所示的經(jīng)典四電阻差動(dòng)放大器非常有用，教科書和講座40多年來一直在介紹該器件。

圖1.經(jīng)典差動(dòng)放大器

這種簡(jiǎn)化可以在教科書中看到，但現(xiàn)實(shí)中無法這樣做，因?yàn)殡娮栌肋h(yuǎn)不可能完全相等。此外，基本電路在其他方面的改變可產(chǎn)生意想不到的行為。下列示例雖經(jīng)過簡(jiǎn)化以顯示出問題的本質(zhì)，但來源于實(shí)際的應(yīng)用問題。

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)。如圖1所示，假設(shè)V2為5 V，V1為3 V，則4V為共模輸入。V2比共模電壓高1 V，而V1低1 V.二者之差為2 V，因此R2/R1的“理想”增益施加于2 V.如果電阻非理想，則共模電壓的一部分將被差動(dòng)放大器放大，并作為V1和V2之間的有效電壓差出現(xiàn)在VOUT，無法與真實(shí)信號(hào)相區(qū)別。差動(dòng)放大器抑制這一部分電壓的能力稱為共模抑制(CMR)。該參數(shù)可以表示為比率的形式(CMRR)，也可以轉(zhuǎn)換為分貝(dB)。

其中，Ad為差動(dòng)放大器的增益，t為電阻容差。因此，在單位增益和1%電阻情況下，CMRR等于50 V/V(或約為34 dB);在0.1%電阻情況下，CMRR等于500 V/V(或約為54 dB)——甚至假定運(yùn)算放大器為理想器件，具有無限的共模抑制能力。若運(yùn)算放大器的共模抑制能力足夠高，則總CMRR受限于電阻匹配。某些低成本運(yùn)算放大器具有60 dB至70 dB的最小CMRR，使計(jì)算更為復(fù)雜。

第一個(gè)次優(yōu)設(shè)計(jì)如圖2所示。該設(shè)計(jì)為采用OP291的低端電流檢測(cè)應(yīng)用。R1至R4為分立式0.5%電阻。由Pallás-Areny文章中的公式可知，最佳CMR為64 dB.幸運(yùn)的是，共模電壓離接地很近，因此CMR并非該應(yīng)用中主要誤差源。具有1%容差的電流檢測(cè)電阻會(huì)產(chǎn)生1%誤差，但該初始容差可以校準(zhǔn)或調(diào)整。然而，由于工作范圍超過80°C，因此必須考慮電阻的溫度系數(shù)。

圖2.具有高噪聲增益的低端檢測(cè)

針對(duì)極低的分流電阻值，應(yīng)使用4引腳開爾文檢測(cè)電阻。采用高精度0.1Ω電阻，并以幾十分之一英寸的PCB走線直接連接該電阻很容易增加10 mΩ，導(dǎo)致10%以上的誤差。但誤差會(huì)更大，因?yàn)镻CB上的銅走線溫度系數(shù)超過3000 ppm.

分流電阻值必須仔細(xì)選擇。數(shù)值更高則產(chǎn)生更大的信號(hào)。這是好事，但功耗(I2R)也會(huì)隨之增加，可能高達(dá)數(shù)瓦。采用較小的數(shù)值(mΩ級(jí)別)，則線路和PCB走線的寄生電阻可能會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。通常使用開爾文檢測(cè)來降低這些誤差?？梢允褂靡粋€(gè)特殊的四端電阻(比如Ohmite LVK系列)，或者對(duì)PCB布局進(jìn)行優(yōu)化以使用標(biāo)準(zhǔn)電阻。若數(shù)值極小，可以使用PCB走線，但這樣不會(huì)很精確。

商用四端電阻(比如Ohmite或Vishay的產(chǎn)品)可能需要數(shù)美元或更昂貴，才能提供0.1%容差和極低溫度系數(shù)。進(jìn)行完整的誤差預(yù)算分析可以顯示如何在成本增加最少的情況下改善精度。

有關(guān)無電流流過檢測(cè)電阻卻具有較大失調(diào)(31mV)的問題，是“軌到軌”運(yùn)算放大器無法一路擺動(dòng)到負(fù)電源軌(接地)引起的。術(shù)語“軌到軌”具有誤導(dǎo)性：輸出將會(huì)靠近電源軌——比經(jīng)典發(fā)射極跟隨器的輸出級(jí)要近得多——但永遠(yuǎn)不會(huì)真正到達(dá)電源軌。軌到軌運(yùn)算放大器具有最小輸出電壓VOL，數(shù)值等于VCE(SAT)或RDS(ON)&TImes;ILOAD，。若失調(diào)電壓等于1.25 mV，噪聲增益等于30，則輸出等于：1.25 mV&TImes;30 =±37.5 mV(由于存在VOS，加上VOL導(dǎo)致的35 mV)。根據(jù)VOS極性不同，無負(fù)載電流的情況下輸出可能高達(dá)72.5 mV.若VOS最大值為30μV，且VOL最大值為8 mV，則現(xiàn)代零漂移放大器(如AD8539)可將總誤差降低至主要由檢測(cè)電阻所導(dǎo)致的水平。