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工程師應(yīng)用儀表放大器時(shí)為何困惑不解?

發(fā)布時(shí)間:2014-12-23 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】電源或共模電壓在產(chǎn)生變化時(shí)極易產(chǎn)生失調(diào)偏移,對(duì)于儀表放大器,電子工程師在計(jì)算這種失調(diào)偏移時(shí)會(huì)困惑不解,工程師為何困惑不解?困惑的根本原因又是什么呢?本文就來為你揭曉謎底。

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!

工程師應(yīng)用儀表放大器時(shí)為何困惑不解?
圖 1:儀表放大器的典型電源抑制比曲線
 
但一定要記住:共模抑制比 (CMRR) 和 PSRR 都是輸入?yún)⒖紖?shù):
工程師應(yīng)用儀表放大器時(shí)為何困惑不解?
PSRR 和 CMRR 定義為輸入失調(diào)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(duì)這些參數(shù)的影響,請(qǐng)將大多數(shù)儀表放大器看成兩個(gè)串行的放大器級(jí),一個(gè)輸入級(jí)放大器(如圖 2 中 G1 所示)和一個(gè)輸出級(jí)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(jí)失調(diào)電壓的變化,如圖中 ΔVOS1 和 ΔVOS2 所示。

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圖 2:大多數(shù)儀表放大器的概念圖
 
在需要計(jì)算輸入時(shí),用輸入級(jí)增益 G1 除第二個(gè)失調(diào)電壓變化 ΔVOS2。最后,由于兩個(gè)失調(diào)變化的極性未知,可能為正也可能為負(fù),因此可推導(dǎo)出公式 2:
工程師應(yīng)用儀表放大器時(shí)為何困惑不解?
在儀表放大器產(chǎn)品說明書中可找到該公式,從而可計(jì)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(diào)變化值:

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圖 3:內(nèi)容摘自產(chǎn)品說明書,說明不同因素所導(dǎo)致的輸入失調(diào)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:
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從輸入級(jí)增益除以第二個(gè)放大器失調(diào)電壓的變化值 ΔVOS2 可以得出,這兩個(gè)參數(shù)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(diào)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計(jì)算 ΔVOS(OUT)。
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很多儀表放大器的輸出級(jí)增益都為 1,這就意味著放大器總體增益由輸入級(jí)增益決定。這樣我們就可將公式 4 簡化為:
工程師應(yīng)用儀表放大器時(shí)為何困惑不解?
由于輸入級(jí)現(xiàn)已成為主要誤差源,因此儀表放大器的 CMRR 和 PSRR 參數(shù)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(xì)心的讀者在觀察圖 3 時(shí)可能已經(jīng)注意到了:輸出級(jí)失調(diào)比輸入級(jí)差。
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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?yún)⒖紖?shù)。

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圖 4:儀表放大器的概念模型
 
在更高的增益下,當(dāng)需要計(jì)算輸入時(shí),可用輸入級(jí)增益除以第二級(jí)失調(diào)的變化:
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這里就是二級(jí)放大器概念模型不完備的地方。例如:如果兩個(gè)二級(jí)放大器的失調(diào)變化相同,而且極性也相同時(shí)會(huì)怎樣呢?也就是說:
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對(duì)比增益為 1000 及增益為 1 的放大器在 PSRR 方面的改善情況:
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如果輸入?yún)⒖际д{(diào)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(dá) 30dB。顯然,ΔVOS1 必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 ΔVOS2 才能實(shí)現(xiàn)這種水平的改善。

我們通過仔細(xì)觀察圖 2 中三運(yùn)算放大器儀表放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)便可明白如何實(shí)現(xiàn)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(jí)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:
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那么輸出級(jí)就將只放大輸入級(jí)的差分電壓,抑制兩個(gè)輸入端的共模。

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圖 5:三運(yùn)算放大器儀表放大器的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?br />  
放大器的輸入級(jí)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)帶來這兩個(gè)放大器輸入失調(diào)的相應(yīng)變化,在圖 6 中分別使用 ΔVOS1A 和 ΔVOS1B 表示。

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圖 6:儀表放大器的輸入級(jí)放大器及其各自的失調(diào)情況
 
讓我們來看看這種情況,A1 和 A2 的非反相輸入接地,并將輸入級(jí)增益配置為 1?,F(xiàn)在,假設(shè)電源電壓的變化會(huì)導(dǎo)致 A1 和 A2 的輸入失調(diào)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(diào)電壓中反映出這種變化。輸入級(jí)的輸出共模電壓將為:
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而輸出差分電壓則將為:
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前面已提到過輸出級(jí)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(jí)的輸入?yún)⒖际д{(diào)變化 (ΔVOS1) 實(shí)際上由 ΔVOS1A 與 ΔVOS1B 之差決定,而非其絕對(duì)量級(jí)!

通過對(duì) IC 進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與布局,這兩種失調(diào)就可獲得良好的匹配,從而可將輸入級(jí)失調(diào)變化平均降至輸出級(jí)的大約十分之一。

儀表放大器的 CMRR 與 PSRR 參數(shù)不會(huì)如魔法般地隨增益提高而改善,事實(shí)上它是多級(jí)拓?fù)渑c差分放大器輸出級(jí)的結(jié)果。

輸入放大器的精確匹配與輸出級(jí)電阻器的正確布局有助于現(xiàn)代 IC 儀表放大器為電子工程師提供我們已習(xí)以為常的巨大抑制功能。

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