差動前置放大器設計

1、差動前置放大器設計前置放大器系在輸入信號電壓很小的情況下，將其放大到容易處里的準電位(level),對于傳送到后段放大系統(tǒng)之信號，及對A-D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之精確有甚大的影響。因此，前置放大器需要：1低漂移性及低噪聲。2良好的外部噪聲免除力。3高增益等特性。使用低漂移之運算放大器前置放大器，除了從以前使用斬波(chopper)型或斬波安定型之0P放大器，及現(xiàn)在要求0.5pV/C以下之超低漂移之應用外，大部分使用直接耦合型OP放大器。其理由如下所述：1單片機技術(shù)使大量生產(chǎn)變成可能，故使用起來方便。20P放大器種類很多。3容易入門。4除了漂移缺點以外，各項電特性都很優(yōu)越。5處理容易。6差動輸入容易。7小型

2、，重量輕。使用直接耦合型0P放大器，可以構(gòu)成簡單之運放差動放大器，又差動放大器能除去共態(tài)噪聲(commonmodenoise)，對于使用低位準信號的前置放大器很適合。圖1所示，使用一個0P放大器構(gòu)成基本的差動放大器，所謂差動放大，系加上兩個輸入信號時，只放大信號差值，當然具備有效放大器之性能，將兩輸入的信號予以放大，其放大的幅度稱為差動增益，通常差動放大器之增益即指差動增益。就圖1來看，差動增益Avd表示如下：Avd=eod/eid(1)另一方面，差動放大器具有共態(tài)輸入信號之放大率，其值甚小，特別是在兩輸入信號等振幅時，放大率更小。對于同相位，等振幅之輸入信號之增益，稱為共態(tài)增益，以Avc表示

3、：圖1基本的差動放大器差動放大器具有：對共態(tài)輸入之增益比差動輸入之增益甚低之性質(zhì)。若兩輸入信號以同相位加入的話，只有兩輸入間的信號差被取出放大。又共態(tài)信號之影響很小而僅拾取差動信號之程度，作為差動放大器之好壞標準之一，可以定義如下式：CMRR=I(eod/eid)/(eoc/eic)|=IAvd/AvcI(3)此CMRR稱為共模具絕比(commonmoderejectionratio),若此CMRR值很大則能夠?qū)⒐矐B(tài)信號予以忽略而將差動信號正確地放大。在此，以圖1所示之基本差動放大器而言其CMRR求法如下：eo=-(R2/R1)xeid+(R4/R3)/(1+R4/R3)x(1+R2/R1)R

4、2/R1xeic(4)(但假定OP放大器之CMRR為無限大)輸出及輸入關(guān)系如(4)式令(R2/R1)=K1,(R4/R3)=K2代入上式得，eo=-K1eid+(K2-K1)/(1+K2)xeic(5)令eic=0,求輸出與輸入之比值，此為差動增益Avd,Avd=(eo/eid)=-K1(6)在令eid=0,求輸出與輸入之比值，此為共態(tài)增益Avc,Avc=(eo/eic)=(K2-K1)/1+K2(7)而CMRR之定義為丨Avd/Avc丨，故得之CMRR=|K1(1+K2)/(K1-K2)|(8)此CMRR的式子,顯示如下事實：1在R1WR3及R2WR4之情況下，若(R2/R1)及(R4/R3

5、)之比值保持一定不變，則CMRR之值可以很高。2若差動增益Avd愈大則MCRR愈高。在使用差動放大器時，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，較具體的電路如圖2所示，差動增益不變而能調(diào)整CMRR之值，圖(a)較圖(b)之方式為優(yōu)。圖3是在圖1電路中，令R1=R3,R2=R4修改而成，此電路之值令上式中K1=K2，使得CMRR之值變成無線大，此為原本所述0P放大器之CMRR為無限大之值，也就是實際使用0P放大器時所能到達的最終0P放大器固有之值。B倒相輸A非倒相輸入端的調(diào)整入端的調(diào)整圖2CMRR之調(diào)整法但是以上所談到的CMRR，系假定信號源都eid之內(nèi)阻(internal

6、impedanee)為OQ,但實際上信號源都存有阻抗(impedanee),為了簡化起見，將信號源之內(nèi)阻認為只有電阻成份Rs，欲求已含有Rs在內(nèi)之CMRR值，由圖3及(2)式,找出K1=R2/(Rs+R1)及K2=R2/R1得：CMRR=(R1+R2)/R3(9)OCMRR=OPAMP恥罔有的CMRR圖3高CMRR化之差動放大器由此式可以了解，在有信號源內(nèi)阻Rs存在情況下，CMRR之值在差動放大器之共態(tài)輸入阻抗(R1+R2)愈大的情況的情況下也愈大。圖5為將圖1所示差動放大器之兩輸入端，附加高輸入阻抗之緩沖器，而使共態(tài)阻抗提高之電路。但高輸入阻抗之緩沖器對于Rs之影響未能改善，R1/R2及R4

7、/R3比值之保持，也與圖1一樣，輸出電壓eo與(7)式相同，又MCRR之值如(2)式所示。CMRRAW-R圖4信號源阻抗對CMRR之影響圖6使用二個OP放大器，獲得高輸入阻抗之差動放大器，此兩個OP放大器本身CMRR若為無限大，則輸入與輸出之關(guān)系如下式：eo=-(K2/K1)(1+K1)xeid+1/K1(K1-K2)xeie(10)而差動增益Avd及共態(tài)增益Ave則如(11)與(12)式：Avd=-K2/K1(1+K1)(11)Avc=-1/K1(K1-K2)(12)此差動放大器之CMRR為CMRR=丨K2(1+K1)/(K2-K1)|(13)此情況下，如K1=K2則CMRR之值為放大器本身之CMRR,K1與K2相等時以K代表，則差動增益Avd由(5)式可得：Avd=-(1+K)(14)如果K1工K2之情形，C