几个经典差动放大器应用电路详解

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几个经典差动放大器应用电路详解

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差分放大电路具有电路对称性的特点，此特点可以起到稳定工作点的作用，被广泛用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，易于混淆，是模拟电子技术基础课程的难点与重点。

模拟电子技术中常使用的模拟量在经过传感器之后转换的电信号都比较微弱，为了能更好的测量这些微弱信号，一般都会对其进行放大处理。但是对于模拟量转换的电量为变化缓慢的非周期性信号时，例如温度、流量、液面等模拟量，对于这种信号一般采取通过直接耦合放大电路放大后再驱动负载，但是直接耦合放大电路会有零点漂移现象（输入电压为零而输出电压的变化不为零），为了抑制零点漂移一般采用特性相同的管子使得它们的温度漂移相互抵消，这样的电路称为差分放大电路。

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。

若R1 = R3 且R2 = R4，则公式 1 简化为：

CMRR

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。

第一个次优设计如图 2 所示。该设计为采用OP291 的低端电流检测应用。R1 至R4 为分立式 0.5%电阻。由Pallás-Areny文章中的公式可知，最佳CMR为 64 dB.幸运的是，共模电压离接地很近，因此CMR并非该应用中主要误差源。具有 1%容差的电流检测电阻会产生 1%误差，但该初始容差可以校准或调整。然而，由于工作范围超过 80°C，因此必须考虑电阻的温度系数。

分流电阻值必须仔细选择。数值更高则产生更大的信号。这是 好事，但功耗（I2R） 也会随之增加，可能高达数瓦。采用较小的 数值（mΩ级别），则线路和PCB走线的寄生电阻可能会导致较 大的误差。通常使用开尔文检测来降低这些误差。可以使用一 个特殊的四端电阻（比如Ohmite LVK系列），或者对PCB布局进行优化以使用标准电阻。若数值极小，可以使用PCB 走线，但这样不会很精确。

有关无电流流过检测电阻却具有较大失调（31mV）的问题，是“轨到轨”运算放大器无法一路摆动到负电源轨（接地）引起 的。术语“轨到轨”具有误导性：输出将会靠近电源轨--比经典发射极跟随器的输出级要近得多--但永远不会真正到达电源轨。轨到轨运算放大器具有最小输出电压VOL，数值等 于VCE（SAT） 或RDS（ON） × ILOAD。若失调电压等于 1.25 mV，噪声增益等于 30，则输出等于：1.25 mV × 30 = ±37.5 mV（由于存在VOS，加上VOL导致的 35 mV）。根据VOS极性不同，无负载电流的情况下输出可能高达 72.5 mV。若VOS 最大值为 30μV，且VOL 最大值为 8 mV，则现代零漂移放大器（如 AD8539）可将总误差降低至主要由检测电阻所导致的水平。

另一个低端检测应用

高噪声增益

图5 中的示例稍为复杂。目前为止，所有的等式都针对电阻而言；但更准确的做法是，它们应当将阻抗考虑在内。在加入电容的情况下（无论是故意添加的电容或是寄生电容），交流CMRR均取决于目标频率下的阻抗比。若要滚降该示例中的频率响应，则可在反馈电阻两端添加电容C2，如通常会在反相运算放大器配置中做的那样。

单芯片差动放大器（如AD8271、 AD8274或 AD8276）具有好 得多的交流CMRR性能，因为运算放大器的两路输入处于芯片上的可控环境下，且价格通常较分立式运算放大器和四个精密电阻更为便宜。 

运算放大器输入端之间的电容 

在波特图上，运算放大器的开环增益在-20dB/dec处下降，但噪声增益在+20 dB/dec处上升，形成-40dB/dec交越。正如控制系统课堂上所学到的，它必然产生振荡。一般而言，永远不要在运算放大器的输入端之间使用电容（极少数情况下例外，但本文不作讨论）。

无论是分立式或是单芯片，四电阻差动放大器的使用都非常广泛。为了获得稳定且值得投入生产的设计，应仔细考虑噪声增益、输入电压范围、阻抗比和失调电压规格。

greensmile

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