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對于儀表放大器，電子工程師在計算由電源或共模電壓變化產(chǎn)生的失調偏移時(shí)很容易產(chǎn)生困惑。 這種困惑的根本原因如下圖1 所示。 在圖 1 中，放大器的電源抑制比 (PSRR) 隨放大器增益配置的升高而增加。這樣很容易讓人想到，在高增益下產(chǎn)生任何輸出偏移，都需要電源的明顯變化！ 圖 1：儀表放大器的典型電源抑制比曲線(xiàn) 但一定要記�。汗材Ｒ种票� (CMRR) 和 PSRR 都是輸入參考參數： PSRR 和 CMRR 定義為輸入失調電壓變化 ΔVOS(IN) 與電源電壓變化 ΔVS 或共模電壓變化 ΔVCM 的比值。 為了了解增益對這些參數的影響，請將大多數儀表放大器看成兩個(gè)串行的放大器級，一個(gè)輸入級放大器（如圖 2 中 G1 所示）和一個(gè)輸出級放大器（如 G2 所示）。電源或共模電壓的變化會(huì )造成每個(gè)放大器級失調電壓的變化，如圖中 ΔVOS1 和 ΔVOS2 所示。 圖 2：大多數儀表放大器的概念圖 在需要計算輸入時(shí)，用輸入級增益 G1 除第二個(gè)失調電壓變化 ΔVOS2。最后，由于兩個(gè)失調變化的極性未知，可能為正也可能為負，因此可推導出公式 2： 在儀表放大器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中可找到該公式，從而可計算出由溫度、電源和共模電壓等不同因素所引起的輸入失調變化值： 圖 3：內容摘自產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，說(shuō)明不同因素所導致的輸入失調變化。 將公式 2 代入公式 1，就很容易得出增益如何影響儀表放大器的 PSRR 和 CMRR： 從輸入級增益除以第二個(gè)放大器失調電壓的變化值 ΔVOS2 可以得出，這兩個(gè)參數會(huì )隨增益的提高而增大。 到目前為止，我們一直關(guān)注的只是輸入失調的變化，但輸出端會(huì )怎樣呢？畢竟我們通常真正關(guān)心的是放大器輸出。很明顯，我們可用 ΔVOS(IN) 乘以放大器總體增益來(lái)計算 ΔVOS(OUT)。 很多儀表放大器的輸出級增益都為 1，這就意味著(zhù)放大器總體增益由輸入級增益決定。這樣我們就可將公式 4 簡(jiǎn)化為： 由于輸入級現已成為主要誤差源，因此儀表放大器的 CMRR 和 PSRR 參數可在較高增益下得到改善。但是，還有一個(gè)我們尚未討論的影響。細心的讀者在觀(guān)察圖 3 時(shí)可能已經(jīng)注意到了：輸出級失調比輸入級差。 前面討論了為什么儀表放大器電源抑制比 (PSRR) 及共模抑制比 (CMRR) 會(huì )隨放大器增益的提高而改善。 回到儀表放大器的簡(jiǎn)化模型（如圖 4 所示）中，我們可以再次回想起 PSRR 與 CMRR 都是輸入參考參數。 圖 4：儀表放大器的概念模型 在更高的增益下，當需要計算輸入時(shí)，可用輸入級增益除以第二級失調的變化： （6） 這里就是二級放大器概念模型不完備的地方。例如：如果兩個(gè)二級放大器的失調變化相同，而且極性也相同時(shí)會(huì )怎樣呢？也就是說(shuō)： （7） 對比增益為 1000 及增益為 1 的放大器在 PSRR 方面的改善情況： （8） 如果輸入參考失調變化減少一半，PSRR 就可提高 6dB。但是在將增益從 1 提升至 1000 時(shí)，典型儀表放大器的 PSRR 可能會(huì )提高達 30dB。顯然，ΔVOS1 必須遠遠小于 ΔVOS2 才能實(shí)現這種水平的改善。 我們通過(guò)仔細觀(guān)察圖 2 中三運算放大器儀表放大器的內部結構便可明白如何實(shí)現這種可能性。由放大器 A3 和電阻器 R3、R4、R5 以及 R6 組成的輸出級可作為差分放大器配置。如果電阻器 R3、R4、R5 和 R6 符合以下比例： （9） 那么輸出級就將只放大輸入級的差分電壓，抑制兩個(gè)輸入端的共模。 圖 5：三運算放大器儀表放大器的標準拓撲 放大器的輸入級包含兩個(gè)放大器：A1 和 A2。電源電壓或共模電壓的變化會(huì )帶來(lái)這兩個(gè)放大器輸入失調的相應變化，在圖 6 中分別使用 ΔVOS1A 和 ΔVOS1B 表示。 圖 6：儀表放大器的輸入級放大器及其各自的失調情況 讓我們來(lái)看看這種情況，A1 和 A2 的非反相輸入接地，并將輸入級增益配置為 1�，F在，假設電源電壓的變化會(huì )導致 A1 和 A2 的輸入失調電壓發(fā)生變化。那么，接地的每個(gè)放大器輸出都將在失調電壓中反映出這種變化。輸入級的輸出共模電壓將為： （10） 而輸出差分電壓則將為： （11） 前面已提到過(guò)輸出級差分放大器抑制共模電壓，只有差分電壓可傳輸至輸出端。因此，輸入級的輸入參考失調變化 (ΔVOS1) 實(shí)際上由 ΔVOS1A 與 ΔVOS1B 之差決定，而非其絕對量級！ 通過(guò)對 IC 進(jìn)行精心設計與布局，這兩種失調就可獲得良好的匹配，從而可將輸入級失調變化平均降至輸出級的大約十分之一。 儀表放大器的 CMRR 與 PSRR 參數不會(huì )如魔法般地隨增益提高而改善，事實(shí)上它是多級拓撲與差分放大器輸出級的結果。 輸入放大器的精確匹配與輸出級電阻器的正確布局有助于現代 IC 儀表放大器為電子工程師提供我們已習以為常的巨大抑制功能。 |
