通过精确匹配的电阻网络提高差分放大器的共模抑制比

在各种应用领域，采用模拟技术时都需要使用差分放大器电路，如图1所示。例如测量技术，根据其应用的不同，可能需要极高的测量精度。为了达到这一精度，尽可能减少典型误差源(例如失调和增益误差，以及噪声、容差和漂移)至关重要。为此，需要使用高精度运算放大器。放大器电路的外部元件选择也同等重要，尤其是电阻，它们应该具有匹配的比值，而不能任意选择。

图1.传统的差分放大器电路。

理想情况下，差分放大器电路中的电阻应仔细选择，其比值应相同(R2/R1=R4/R3)。这些比值有任何偏差都将导致不良的共模误差。差分放大器抑制这种共模误差的能力以共模抑制比(CMRR)来表示。它表示输出电压如何随相同的输入电压(共模电压)而变化。在最佳情况下，输出电压不应该改变，因为它只取决于两个输入电压之间的差值(最大CMRR)；但是，实际使用中情况会有所不同。CMRR是差分放大器电路的重要特性，通常以dB来表示。

对于图1所示的差分放大器电路，CMRR取决于放大器本身以及外部连接的电阻。对于后者，取决于电阻的CMRR在本文下述部分以下标“R”表示，并利用下式计算：

(1)例如，在放大器电路中，所需增益G=1且使用容差为1％、匹配精度为2％的电阻产生的共模抑制比为或以dB来表示

(2)在34dB时，CMRRR相对较低。在这种情况下，即使放大器具有非常好的CMRR，也无法实现高精度，因为链路的精度总是取决于其精度最差的环节。因此，对于精密的测量电路而言，必须非常精确地选择电阻。

实际使用中传统电阻的阻值并不恒定。它们会受机械负载和温度的影响。根据需求的不同，可以使用具有不同容差的电阻或匹配电阻对(或网络)，其大部分使用薄膜技术制造并具有精确的比值稳定性。利用这些匹配的电阻网络(如LT5400四通道匹配电阻网络)，可以大幅提高放大器电路的整体CMRR。LT5400电阻网络在整个温度范围内具有出色的匹配性，结合差分放大器电路使用则匹配性更佳，因而可确保CMRR比分立电阻提高两倍。

图2.带有LT5400的差分放大器电路。

LT5400提供0.005%的匹配精度，从而使CMRRR达到86dB。

然而，放大器电路的总共模抑制比(CMRR)由电阻CMRR和运算放大器共模抑制比CMRROP的组合构成。对于差分放大器，可利用公式3计算：

(3)例如，LT1468提供的CMRROP典型值为112dB，采用LT5400的增益为G=1，其CMRRTotal的值为85.6dB。

或者，可以使用集成式差分放大器，如LTC6363。这种放大器在单芯片中内置放大器和最佳匹配电阻。它几乎消除了上述所有问题，同样也可提供最大精度，其CMRR值达90dB以上。

结论

必须根据差分放大器电路的精度要求仔细选择外部电阻电路，以便实现系统的高性能。

或者，可以使用集成式差分放大器，如在单芯片中集成了匹配电阻的LTC6363。

作者：现场应用工程师Thomas Brand