调整固定增益差动放大器的增益

Matthew “Rusty” Juszkiewicz

经典的四电阻差动放大器解决了许多困难的测量问题。然而，总有一些应用需要比这些放大器提供的更大的灵活性。由于差动放大器中电阻的匹配直接影响增益误差和共模抑制比（CMRR），因此在单个芯片上实现这些电阻可实现最佳性能。然而，仅依靠内部电阻来设置增益，用户无法灵活地选择制造商设计选择之外的所需增益。

在信号链中使用固定增益放大器时，如果需要更多增益，通常会增加另一个放大器级以实现所需的总增益。虽然这种方法效果很好，但它会增加整体复杂性、所需的电路板空间、噪声、成本等。或者，还有另一种方法可以在没有第二增益级的情况下增加系统增益。通过在固定增益放大器上增加几个电阻来提供正反馈路径将减少整体负反馈，从而获得更高的总增益。

在典型的负反馈配置中，反馈到反相输入端的输出部分称为β，电路增益为1/β。当β = 1时，整个输出信号返回到反相输入，并实现单位增益缓冲器。β值越低，增益越高。

图1.负反馈：同相运算放大器配置。

为了增加增益，必须降低β。这可以通过增加R2/R1的比率来完成。但是，对于固定增益差动放大器，无法降低反相输入端的反馈，因为这需要更大的反馈电阻或更小的输入电阻。通过向差动放大器的基准引脚提供输出反馈，从而向同相输入提供反馈，现在可以提高以前固定增益放大器的增益。运算放大器的组合β（βc）是β–和β+之间的差值，这将决定新的增益和带宽。请注意，β+提供正面反馈，因此应注意确保净反馈保持负面（β– > β+）。

图2.组合测试版。

为了使用β+调整电路增益，第一步是计算β–（对于初始电路β）。请注意，衰减项G_attn是差动放大器正输入端的信号与运算放大器同相输入端的信号之比。

一旦选择了所需的增益，就可以确定所需的β，从而确定β+。由于固定增益放大器具有已知增益，因此β的计算非常简单。

量β+正好是输出信号中返回到运算放大器同相输入端的部分。请记住，由于通过β+的反馈将进入基准引脚，因此信号将通过两个电阻分压器（见图3），为了实现正确的β+，需要考虑这两个分压器。

差动放大器的一个关键特性是CMRR。正负网络上的匹配电阻比对于良好的CMRR至关重要，因此还应与正输入电阻串联一个电阻（R5），以平衡基准引脚上增加的电阻。

图3.四电阻固定增益差动放大器：增益调整。

为了确定电阻R3和R4的所需值，可以使用戴维宁等效电路来简化分析。

图4.戴维宁等效电路。

如上所述，为了保持良好的CMRR，必须添加R5。R5的值由R3和R4的并联组合与输入衰减器中的电阻比率相同决定。由于R1/R2的比率=（1/G_attn）-1，R1和R5可以用比率的R2和R3代替||R4，分别。

图5.简化的正输入电阻网络。

如前所述，来自 V 的增益外简化电路的 to A_in+ 必须等于 1/β+。

由于R3和R4加载运算放大器，因此应注意不要选择过小的值。一旦选择了所需的负载（R3 + R4），R3和R4的值就可以从公式4中轻松计算出来。一旦确定了R3和R4，就可以从R5计算R3||R4 × α。

由于这种技术依赖于电阻的比率，因此具有很大的灵活性。在噪声和功耗之间需要权衡，电阻值应足够大，以防止运算放大器过载。此外，由于R5与R3和R4成比，因此应使用相同类型的电阻器以在整个温度范围内保持良好的性能。如果R3、R4和R5一起漂移，则比率将保持不变，并且由于这些电阻而引起的热漂移（如果有的话）将最小。由于运算放大器的噪声增益会增加，因此所得带宽将按照增益带宽乘积的βc/β–之比减小。

这种技术的一个很好的应用是AD8479，它是一款单位增益、高共模差动放大器。AD8479能够在±600 V共模模式下测量差分信号，并且具有固定单位增益。某些应用需要大于单位的增益，前面描述的技术非常适合。电流检测应用的另一个常见增益为10，因此设G1 = 10。

由于AD8479会衰减共模信号，然后增益差分信号以获得单位的系统增益，因此在实现增益调整时需要考虑这一点。

由于正基准的增益为60，正输入的增益为1，因此电路的噪声增益为61。此外，由于总增益为单位，因此G_attn必须为1/噪声增益：

使用公式6，可以轻松计算R3和R4：

AD8479的增益额定值为2 kΩ负载，因此这是R3 + R4的目标增益。

为了使用标准电阻值构建该电路，需要使用并联电阻来实现比单个标准电阻更精确的比率。

图6.G = 8479时AD10：最终原理图。

从图 7 可以看出，生成的输出（蓝色）为输入（黄色）的 10×符合预期。

图7.G = 8479时AD10：输入和输出示波器捕获。

增益10电路的标称带宽预计为1/10千典型AD8479带宽，因为βc/β– = 1/10，实际测得的–3 dB频率为48 kHz。

图8.G = 8479时AD10：–3 dB频率。

图9显示，得到的脉冲响应和特征与预期一致。压摆率与标准AD8479压摆率相匹配，由于带宽降低，建立时间更长。

图9.G = 8479时AD10：脉冲响应。

由于新电路向运算放大器的两个输入端提供反馈，因此运算放大器的共模受任一输入端信号的影响。这会改变电路的输入电压范围，因此应对其进行评估，以避免运算放大器过驱。此外，由于噪声增益增加，输出端的频谱和峰峰值电压噪声也将增加相同的系数。但是，当信号以输入为参考时，影响可以忽略不计。最后，增益增加电路的CMRR等于前一个电路的CMRR，假设电阻R3、R4和R5没有增加额外的共模误差。由于实现R5是为了校正R3和R4的相加CMRR，因此可以使用R5将CMRR调谐到比原始电路更好的位置。但是，这将需要微调，并且在此过程中您将以CMRR的增益误差进行交易。

该过程可用于利用固定增益差动放大器的优势，而不受其固定特性的限制。由于该技术是通用的，因此可以与许多其他差动放大器一起使用。只需增加三个电阻即可在信号链中实现极大的灵活性，而无需添加任何有源元件，从而降低成本、复杂性和电路板间距。

审核编辑：gt