《電子技術(shù)應(yīng)用》
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“如果沒壞,就不要修理?!闭{(diào)節(jié)固定增益差分放大器的增益

2020-01-07
作者:Rusty Juszkiewicz,產(chǎn)品工程師
來源:ADI公司
關(guān)鍵詞: 放大器 增益 固定增益

問題:

  我們能夠增加固定增益差分放大器的增益嗎?

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答案:

  可以,通過增加更多的電阻。

  經(jīng)典的四電阻差分放大器可以解決許多測(cè)量難題。但是,總有一些應(yīng)用需要的靈活性比這些放大器所能提供的更高。由于在差分放大器中電阻匹配直接影響到增益誤差和共模抑制比(CMRR),所以將這些電阻集成到同一個(gè)裸片上可以實(shí)現(xiàn)高性能。但是,僅僅依靠?jī)?nèi)部電阻來設(shè)置增益,用戶就無法在制造商的設(shè)計(jì)選擇之外靈活選擇自己想要的增益。

  在信號(hào)鏈中使用固定增益放大器時(shí),如果需要更多的增益,通常會(huì)添加另一個(gè)放大器級(jí)來實(shí)現(xiàn)所需的總增益。雖然這種方法非常有效,但它會(huì)增加整體的復(fù)雜性、所需的板空間、噪音、成本等?;蛘?,您可以選擇另一種方法,在不增加第二個(gè)增益級(jí)的情況下增加系統(tǒng)增益。通過在固定增益放大器上增加幾個(gè)電阻來提供正反饋路徑,此舉可以減少整體的負(fù)反饋,從而獲得更高的整體增益。

  在典型的負(fù)反饋配置中,反饋給反相輸入的輸出部分被稱為β,電路的增益為1/β。β=1時(shí),整個(gè)輸出信號(hào)被返回給反相輸入端,由此實(shí)現(xiàn)單位增益緩沖器。β值較低時(shí),實(shí)現(xiàn)的增益較高。

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  圖1.負(fù)反饋:非反相運(yùn)算放大器配置。

  為了提高增益,必須降低β。這可以通過增加R2/R1的比率來實(shí)現(xiàn)。但是,目前對(duì)于固定增益的的差動(dòng)放大器還沒有辦法通過降低其傳輸?shù)椒聪喽说姆答亖硖岣哒w增益,因?yàn)檫@需要用到更大的反饋電阻或更小的輸入電阻。通過將輸出反饋提供給差動(dòng)放大器的基準(zhǔn)引腳,也就是同相輸入端,即可提高之前的固定增益放大器的增益。此放大電路產(chǎn)生的復(fù)合反饋系數(shù)β(βc)是β-和β+之間的差值,該系數(shù)同時(shí)也將決定放大電路的增益和帶寬。請(qǐng)注意,β+提供的是正反饋,因此必須確保凈反饋仍然為負(fù)(β– > β+)。

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  圖2.組合β。

  為了使用β+調(diào)節(jié)電路增益,第一步是計(jì)算β-(初始電路的β)。注意,衰減項(xiàng)G_attn是差動(dòng)放大器的正輸入信號(hào)與運(yùn)算放大器的同相端輸入之比。

  G0 = G_attn × 噪聲增益 噪聲增益 = 1/β– β– = G_attn/G0β– = G_attn/G0(1)

  一旦選定所需的增益,就可以確定所需的β以及β+。因?yàn)楣潭ㄔ鲆娣糯笃鞯脑鲆媸且阎?,所以能夠很?jiǎn)單地計(jì)算出β。

  βc = G_attn/G1 βc = β– – β+ β+ = G_attn(1/G0 – 1/G1)(2)

  β+的量正好是輸出信號(hào)返回至運(yùn)算放大器的同相輸入端的一部分。記住,反饋會(huì)通過β+路徑至基準(zhǔn)引腳,反饋信號(hào)會(huì)通過兩個(gè)電阻的分壓器(見圖3),這兩個(gè)分壓電阻阻值必須要通過計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)正確的β+。

  差動(dòng)放大器的一個(gè)關(guān)鍵特性是CMRR。正極和負(fù)極網(wǎng)絡(luò)上的電阻比是否匹配對(duì)于能否實(shí)現(xiàn)出色的CMRR至關(guān)重要,因此電阻(R5)也應(yīng)該與正輸入電阻串聯(lián),以平衡基準(zhǔn)引腳上增加的電阻。

  為了確定電阻R3和R4,可以使用戴維南等效電路來簡(jiǎn)化分析。

  如上所述,為了保持良好的CMRR,必須添加R5。R5的值由R3和R4的并聯(lián)組合決定,其系數(shù)與輸入衰減器中的電阻相同。因?yàn)镽1/R2 = (1/G_attn) - 1這個(gè)比率,R1和R5分別可以用比率已定的R2和R3||R4代替。

  讓(1/G_attn) – 1 = α(3)

  如前所述,VOUT至簡(jiǎn)化電路的A_in+的增益必須等于1/β+。

  Vth × α/(α + 1) = VA_in+ 因?yàn)?VA_in+/VOUT = β+ 其中 β+ = G_attn(1/G0 – 1/G1) R4/(R3 + R4)) = (1/α) × (1/G0 – 1/G1)(4)

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  圖3.四電阻固定增益差分放大器:增益調(diào)整。

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  圖4.戴維南等效電路。

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  圖5.經(jīng)過簡(jiǎn)化的正輸入電阻網(wǎng)絡(luò)。

  由于R3和R4拉載運(yùn)算放大器,所以應(yīng)該注意不要選擇太小的值。一旦選定了所需的負(fù)載(R3 + R4),就可以利用公式4輕松計(jì)算得出R3和R4的值。R3和R4確定之后,可以利用R3||R4 × β計(jì)算得出R5。

  因?yàn)檫@種技術(shù)依賴于電阻比,所以具備很高的靈活性。在噪聲和功耗之間需要進(jìn)行權(quán)衡,電阻值應(yīng)該足夠大,可以防止運(yùn)算放大器過載。此外,由于R5與R3和R4成比例,所以應(yīng)該使用相同類型的電阻,以在各種溫度下保持良好性能。如果R3、R4和R5一起漂移,那么這個(gè)比例將保持不變,并且由于這些電阻,即使有熱漂移,也會(huì)保持在最低水平。最后,由于運(yùn)算放大器的增益更高,所以獲得的帶寬會(huì)按照增益帶寬積的βc/β比例降低。

  AD8479就可以實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的典型應(yīng)用,它是一個(gè)單位增益的高共模差動(dòng)放大器。AD8479能夠在±600 V共模下測(cè)量差分信號(hào),并且具有固定的單位增益。有些應(yīng)用需要的增益大于單位增益,因此很適合采用之前提到的技術(shù)。電流檢測(cè)應(yīng)用需要的另一個(gè)常見增益是10,因此可以讓G1 = 10。

  由于AD8479會(huì)衰減共模信號(hào),獲得更高的差分信號(hào),然后獲得單位系統(tǒng)增益,所以在實(shí)施增益調(diào)整時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。

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  由于正基準(zhǔn)的增益為60,正輸入的增益為1,所以電路的噪聲增益為61。此外,由于總體增益是一致的,所以G_attn必須是1/噪聲增益:

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  R3和R4可以使用公式6計(jì)算得出:

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  AD8479的增益為指定增益,負(fù)載為2 kΩ,所以R3 + R4的目標(biāo)增益如下。

  讓R3 + R4 = 2000,R4 = 30,R3 = 1970,R5 = 1773(8)

  為了使用標(biāo)準(zhǔn)電阻值構(gòu)建這個(gè)電阻,所以需要使用并聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)比使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻可以實(shí)現(xiàn)的更準(zhǔn)確的比例。

  讓R3 = 2050,R4 = (32.4 || 866), R5 = (1910 || 54900)(9)

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  圖6.G = 10時(shí),AD8479的最終原理圖。

  從圖7中可以看出,獲得的輸出(藍(lán)色)是預(yù)期輸入(黃色)的10倍。

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  圖7.G = 10時(shí),AD8479的輸入和輸出示波器捕捉圖。

  增益為10的電路的標(biāo)稱帶寬應(yīng)為典型的AD8479帶寬的1/10,這是因?yàn)棣耤/β– = 1/10,而實(shí)際測(cè)量的–3 dB頻率為48 kHz。

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  圖8.G = 10: –3 dB頻率時(shí)的AD8479。

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  圖9.G = 10: 脈沖響應(yīng)時(shí)的AD8479。

  圖9顯示獲得的脈沖響應(yīng)和特征與預(yù)期一致。壓擺率與標(biāo)準(zhǔn)的AD8479壓擺率一致,但因?yàn)閹挏p小,所需的建立時(shí)間更長(zhǎng)。

  由于新電路為運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端提供反饋,所以運(yùn)算放大器的共模會(huì)受到兩個(gè)輸入端的信號(hào)影響。這會(huì)改變電路的輸入電壓范圍,因此應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行評(píng)估,以免過度驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器。此外,由于噪聲增益增加,所以輸出端的噪聲電壓頻譜和峰峰值也會(huì)按相同比例增加;但是,當(dāng)信號(hào)被引用到輸入時(shí),產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。最后,增益增加的電路的CMRR與前一個(gè)電路的CMRR相等(假設(shè)R3、R4和R5電阻不會(huì)額外增加共模誤差)。由于R5是用于在增加R3和R4的情況下來修正CMRR的,所以可以對(duì)CMRR進(jìn)行調(diào)優(yōu),使其比原來使用R5的電路更好。但是,這需要進(jìn)行微調(diào),且在此過程中,您需要適當(dāng)權(quán)衡和調(diào)整CMRR的增益誤差。

  實(shí)施這個(gè)過程時(shí),您可以利用固定增益差分放大器的優(yōu)點(diǎn),而不受其固定特性限制。由于該技術(shù)是通用的,它還可以和許多其他差分放大器一起使用。在不增加任何有源組件的情況下,簡(jiǎn)單增加三個(gè)電阻可以在信號(hào)鏈中實(shí)現(xiàn)更高的靈活性,這有助于降低成本、復(fù)雜性和電路板大小。

作者簡(jiǎn)介

Matthew“Rusty”Juszkiewicz是位于馬薩諸塞州威爾明頓的ADI公司線性產(chǎn)品與解決方案(LPS)部的一名產(chǎn)品工程師。他在2015年獲得東北大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位之后加入ADI公司。


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