被完全誤解的三運放儀表放大器
圖1所示的三運放儀表放大器看似為一種簡單的結(jié)構(gòu),因為它使用已經(jīng)存在了幾十年的基本運算放大器(op amp)來獲得差動輸入信號。運算放大器的輸入失調(diào)電壓誤差不難理解。運算放大器開環(huán)增益的定義沒有改變。運算放大器共模抑制(CMR)的簡單方法自運算放大器時代之初就已經(jīng)有了。那么,問題出在哪里呢?
圖1:三運放儀表放大器,其VCM為共模電壓,而VDIFF為相同儀表放大器的差動輸入。
單運算放大器和儀表放大器的共享CMR方程式如下:
本方程式中,G相當(dāng)于系統(tǒng)增益,VCM為相對于接地電壓同樣施加于系統(tǒng)輸入端的變化電壓,而VOUT為相對于變化VCM值的系統(tǒng)輸出電壓變化。
在CMR方面,運算放大器的內(nèi)部活動很簡單,其失調(diào)電壓變化是唯一的問題。就儀表放大器而言,有兩個影響器件CMR的因素。第一個也是最重要的因素是,涉及第三個放大器(圖1,A3)電阻比率的平衡問題。例如,如果R1等于R3,R2等于R4,則理想狀況下的三運放儀表放大器CMR為無窮大。然而,我們還是要回到現(xiàn)實世界中來,研究R1、R2、R3 和R4與儀表放大器CMR的關(guān)系。
具體而言,將R1:R2同R3:R4匹配至關(guān)重要。結(jié)合A3,這4個電阻從A1和A2的輸出減去并增益信號。電阻比之間的錯配會在A3輸出端形成誤差。方程式2在這些電阻關(guān)系方面會形成CMR誤差:
例如,如果R1、R2、R3和R4接近相同值,且R3:R4等于R1/R2的1.001,則該0.1%錯配會帶來儀表放大器CMR的降低,從理想水平降至66dB級別。
根據(jù)方程式1,儀表放大器CMR隨系統(tǒng)增益的增加而增加。這是一個非常好的特性。方程式1可能會激發(fā)儀表放大器設(shè)計人員確保有許多可用增益,但是這種方法存在一定的局限性。A1和A2開環(huán)增益誤差和噪聲。放大器的開環(huán)增益等于20log(ΔVOUT/ΔVOS)。隨著A1和A2增益的增加,放大器開環(huán)增益失調(diào)誤差也隨之增加。A1和A2的輸出振幅變化一般涵蓋電源軌。儀表放大器增益更高的情況下,運算放大器的開環(huán)增益誤差和噪聲占主導(dǎo)。通過RSS公式,這些誤差降低了更高增益下的儀表CMR。因此,您會看到儀表放大器的CMR性能值往往會在更高增益時達(dá)到最大值。
因此,從CMR角度來看,儀表放大器就像是一個在不同系統(tǒng)增益下器件各部分都誘發(fā)CMR誤差的系統(tǒng)。當(dāng)您對器件的內(nèi)部原理進(jìn)行研究時,它便不再如此神秘。您把各個部分都分開來,就會一目了然。