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“If It Isn’t Broken, Don’t Fix It.” Adjusting the Gain of a Fixed-Gain Difference Amplifier 作者：Rusty Juszkiewicz，產(chǎn)品工程師 問(wèn)題： 我們能夠增加固定增益差分放大器的增益嗎？ 答案： 可以，通過(guò)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量難題。但是，總有一些應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)現高性能。但是，僅僅依靠?jì)炔侩娮鑱?lái)設置增益，用戶(hù)就無(wú)法在制造商的設計選擇之外靈活選擇自己想要的增益。 在信號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)放大器級來(lái)實(shí)現所需的總增益。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)增益級的情況下增加系統增益。通過(guò)在固定增益放大器上增加幾個(gè)電阻來(lái)提供正反饋路徑，此舉可以減少整體的負反饋，從而獲得更高的整體增益。 在典型的負反饋配置中，反饋給反相輸入的輸出部分被稱(chēng)為β，電路的增益為1/β。β=1時(shí)，整個(gè)輸出信號被返回給反相輸入端，由此實(shí)現單位增益緩沖器。β值較低時(shí)，實(shí)現的增益較高。 
圖1.負反饋：非反相運算放大器配置。 為了提高增益，必須降低β。這可以通過(guò)增加R2/R1的比率來(lái)實(shí)現。但是，目前對于固定增益的的差動(dòng)放大器還沒(méi)有辦法通過(guò)降低其傳輸到反相端的反饋來(lái)提高整體增益，因為這需要用到更大的反饋電阻或更小的輸入電阻。通過(guò)將輸出反饋提供給差動(dòng)放大器的基準引腳，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)生的復合反饋系數β(βc)是β-和β+之間的差值，該系數同時(shí)也將決定放大電路的增益和帶寬。請注意，β+提供的是正反饋，因此必須確保凈反饋仍然為負(β– > β+)。
圖2.組合β。 為了使用β+調節電路增益，第一步是計算β-（初始電路的β）。注意，衰減項G_attn是差動(dòng)放大器的正輸入信號與運算放大器的同相端輸入之比。
一旦選定所需的增益，就可以確定所需的β以及β+。因為固定增益放大器的增益是已知的，所以能夠很簡(jiǎn)單地計算出β。
β+的量正好是輸出信號返回至運算放大器的同相輸入端的一部分。記住，反饋會(huì )通過(guò)β+路徑至基準引腳，反饋信號會(huì )通過(guò)兩個(gè)電阻的分壓器（見(jiàn)圖3），這兩個(gè)分壓電阻阻值必須要通過(guò)計算才能實(shí)現正確的β+。 差動(dòng)放大器的一個(gè)關(guān)鍵特性是CMRR。正極和負極網(wǎng)絡(luò )上的電阻比是否匹配對于能否實(shí)現出色的CMRR至關(guān)重要，因此電阻(R5)也應該與正輸入電阻串聯(lián)，以平衡基準引腳上增加的電阻。 為了確定電阻R3和R4，可以使用戴維南等效電路來(lái)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，其系數與輸入衰減器中的電阻相同。因為R1/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。
如前所述，VOUT至簡(jiǎn)化電路的A_in+的增益必須等于1/β+。
圖3.四電阻固定增益差分放大器：增益調整。
圖4.戴維南等效電路。
圖5.經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的正輸入電阻網(wǎng)絡(luò )。 由于R3和R4拉載運算放大器，所以應該注意不要選擇太小的值。一旦選定了所需的負載(R3 + R4)，就可以利用公式4輕松計算得出R3和R4的值。R3和R4確定之后，可以利用R3||R4 × β計算得出R5。 因為這種技術(shù)依賴(lài)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)行權衡，電阻值應該足夠大，可以防止運算放大器過(guò)載。此外，由于R5與R3和R4成比例，所以應該使用相同類(lèi)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)現這種技術(shù)的典型應用，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共模下測量差分信號，并且具有固定的單位增益。有些應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)。電流檢測應用需要的另一個(gè)常見(jiàn)增益是10，因此可以讓G1 = 10。 由于A(yíng)D8479會(huì )衰減共模信號，獲得更高的差分信號，然后獲得單位系統增益，所以在實(shí)施增益調整時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。
由于正基準的增益為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：
R3和R4可以使用公式6計算得出：
AD8479的增益為指定增益，負載為2 kΩ，所以R3 + R4的目標增益如下。
為了使用標準電阻值構建這個(gè)電阻，所以需要使用并聯(lián)電阻來(lái)實(shí)現比使用單個(gè)標準電阻可以實(shí)現的更準確的比例。
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（藍色）是預期輸入（黃色）的10倍。
圖7.G = 10時(shí)，AD8479的輸入和輸出示波器捕捉圖。 增益為10的電路的標稱(chēng)帶寬應為典型的AD8479帶寬的1/10，這是因為βc/β– = 1/10，而實(shí)際測量的–3 dB頻率為48 kHz。
圖8.G = 10: –3 dB頻率時(shí)的AD8479。
圖9.G = 10: 脈沖響應時(shí)的AD8479。 圖9顯示獲得的脈沖響應和特征與預期一致。壓擺率與標準的AD8479壓擺率一致，但因為帶寬減小，所需的建立時(shí)間更長(cháng)。 由于新電路為運算放大器的兩個(gè)輸入端提供反饋，所以運算放大器的共模會(huì )受到兩個(gè)輸入端的信號影響。這會(huì )改變電路的輸入電壓范圍，因此應該對其進(jìn)行評估，以免過(guò)度驅動(dòng)運算放大器。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，當信號被引用到輸入時(shí)，產(chǎn)生的影響可以忽略不計。最后，增益增加的電路的CMRR與前一個(gè)電路的CMRR相等（假設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(lái)修正CMRR的，所以可以對CMRR進(jìn)行調優(yōu)，使其比原來(lái)使用R5的電路更好。但是，這需要進(jìn)行微調，且在此過(guò)程中，您需要適當權衡和調整CMRR的增益誤差。 實(shí)施這個(gè)過(guò)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)電阻可以在信號鏈中實(shí)現更高的靈活性，這有助于降低成本、復雜性和電路板大小。 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(xiàn)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。聯(lián)系方式：rusty.juszkiewicz@analog.com。 |
