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差动前置放大器设计

作者:dolphin时间:2016-09-30

前置放大器系在输入信号电压很小的情况下,将其放大到容易处里的准电位(level),对于传送到后段放大系统之信号,及对A-D转换系统之精确有甚大的影响。
因此,前置放大器需要:
〈1〉 低漂移性及低噪声。
〈2〉 良好的外部噪声免除力。
〈3〉 高增益…等特性。
使用低漂移之运算放大器前置放大器,除了从以前使用斩波(chopper)型或斩波安定型之OP放大器,及现在要求0.5μV/°C以下之超低漂移之应用外,大部分使用直接耦合型OP放大器。
其理由如下所述:
〈1〉 单片机技术使大量生产变成可能,故使用起来方便。
〈2〉 OP放大器种类很多。
〈3〉 容易入门。
〈4〉 除了漂移缺点以外,各项电特性都很优越。
〈5〉 处理容易。
〈6〉 差动输入容易。
〈7〉 小型,重量轻。
使用直接耦合型 OP放大器,可以构成简单之运放差动放大器,又差动放大器能除去共态噪声(common mode noise),对于使用低位准信号的前置放大器很适合。
图1所示,使用一个OP放大器构成基本的差动放大器,所谓差动放大,系加上两个输入信号时,只放大信号差值,当然具备有效放大器之性能,将两输入的信号予以放大,其放大的幅度称为差动增益,通常差动放大器之增益即指差动增益。就图1来看,差动增益Avd表示如下:

Avd=eod/eid (1)

另一方面,差动放大器具有共态输入信号之放大率,其值甚小,特别是在两输入信号等振幅时,放大率更小。
对于同相位,等振幅之输入信号之增益,称为共态增益,以Avc表示:

图1基本的差动放大器


差动放大器具有:对共态输入之增益比差动输入之增益甚低之性质。若两输入信号以同相位加入的话,只有两输入间的信号差被取出放大。
又共态信号之影响很小而仅拾取差动信号之程度,作为差动放大器之好坏标准之一,可以定义如下式:

CMRR=|(eod/eid)/(eoc/eic)︳=|Avd/Avc| (3)

此CMRR称为共模具绝比(common mode rejection ratio),若此CMRR值很大则能够将共态信号予以忽略而将差动信号正确地放大。
在此,以图1所示之基本差动放大器而言其CMRR求法如下:

eo=﹣(R2/R1)×eid+{(R4/R3)/(1+R4/R3)×(1+R2/R1)-R2/R1}×eic (4)

(但假定OP放大器之CMRR为无限大)输出及输入关系如(4)式

令(R2/R1)=K1,(R4/R3)=K2代入上式得,
eo=﹣K1 eid+(K2﹣K1)/(1+K2)×eic (5)
eic=0,求输出与输入之比值,此为差动增益Avd, Avd=(eo/eid)=﹣K1 (6)
在令eid=0,求输出与输入之比值,此为共态增益Avc,
Avc=(eo/ eic)=(K2﹣K1)/1+K2 (7)

而CMRR之定义为︱Avd/ Avc︱,故得之

CMRR= ︳K1(1+K2)/(K1﹣K2)︳ (8)

此CMRR的式子,显示如下事实:
〈1〉在
R1≠R3R2≠R4之情况下,若(R2/R1)及(R4/R3)之比值保持一定不变,则CMRR之值可以很高。
〈2〉若差动增益Avd 愈大则MCRR愈高。
在使用差动放大器时,普通增益限制在必要值,而提高MCRR之方法,一般使用〈1〉之方法,较具体的电路如图2所示,差动增益不变而能调整CMRR之值,图(a)较图(b)之方式为优。图3是在图1电路中,令
R1=R3,R2=R4修改而成,此电路之值令上式中K1=K2,使得CMRR之值变成无线大,此为原本所述OP放大器之CMRR为无限大之值,也就是实际使用OP放大器时所能到达的最终OP放大器固有之值。

A 非倒相输入端的调整 B 倒相输入端的调整

图2 CMRR之调整法

但是以上所谈到的CMRR,系假定信号源都eid之内阻(internal impedance)为0Ω,但实际上信号源都存有阻抗(impedance),为了简化起见,将信号源之内阻认为只有电阻成份Rs,欲求已含有Rs在内之CMRR值,由图3及(2)式,找出K1=R2/(Rs+R1)K2=R2/R1得:
CMRR=(R1+R2)/R3 (9)

图3 高CMRR化之差动放大器

由此式可以了解,在有信号源内阻Rs存在情况下,CMRR之值在差动放大器之共态输入阻抗(R1+R2)愈大的情况的情况下也愈大。
图5为将图1所示差动放大器之两输入端,附加高输入阻抗之缓冲器,而使共态阻抗提高之电路。但高输入阻抗之缓冲器对于Rs之影响未能改善,R1/R2及R4/R3比值之保持,也与图1一样,输出电压eo与(7)式相同,又MCRR之值如(2)式所示。

图4信号源阻抗对CMRR之影响

图6使用二个OP放大器,获得高输入阻抗之差动放大器,此两个OP放大器本身CMRR若为无限大,则输入与输出之关系如下式:
eo=﹣(K2/K1)(1+K1)×eid+1/K1(K1﹣K2)×eic (10)

而差动增益Avd及共态增益Avc则如(11)与(12)式:
Avd=﹣K2/K1(1+K1) (11)
Avc=﹣1/K1(K1﹣K2) (12)
此差动放大器之CMRR为
CMRR=丨K2(1+K1)/(K2﹣K1)︱ (13)
此情况下,如
K1=K2则CMRR之值为放大器本身之CMRR,K1与K2 相等时以K代表,则差动增益Avd由(5)式可得:
Avd=﹣(1+K) (14)
如果K1≠K2之情形,CMRR不能获致极限,则调整K1与K2 以使CMRR提高,但是K1与K2 也是决定差动增益之要素,故调整K1或K2,无法避免不影响差动增益。

图5 高输入阻抗之差动放大器(1) 图6 高输入阻抗之差动放大器(2)


Avc=eoc/eic (2)


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