几个经典差动放大器应用电路详解
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2020-08-11
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几个经典差动放大器应用电路详解几个经典差动放大器应用电路详解
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。
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
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。
低容差电阻
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。
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