設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說(shuō)明

該設(shè)計(jì)輸入 V_i1 和 V_i2 兩個(gè)信號(hào)并輸出它們的差值（減法）。輸入信號(hào)通常來(lái)自低阻抗源，因?yàn)樵撾娐返妮斎胱杩褂呻娮杈W(wǎng)絡(luò)決定。通常使用差分放大器來(lái)放大差分輸入信號(hào)并抑制共模電壓。共模電壓是兩個(gè)輸入共用的電壓。差分放大器抑制共模信號(hào)功能的有效性稱(chēng)為共模抑制比 (CMRR)。差分放大器的 CMRR 取決于電阻器的容差。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. 在線性運(yùn)行區(qū)域內(nèi)使用運(yùn)算放大器。確保運(yùn)算放大器的輸入不超過(guò)器件的共模范圍。通常在 A_OL 測(cè)試條件下指定線性輸出擺幅。
2. 輸入阻抗由輸入電阻網(wǎng)絡(luò)決定。確保這些值相對(duì)于電源的輸出阻抗而言較大。
3. 使用高值電阻器可能會(huì)減小電路的相位裕度并在電路中引入額外的噪聲。
4. 避免將電容負(fù)載直接放置在放大器的輸出端，以最大程度地減少穩(wěn)定性問(wèn)題。
5. 小信號(hào)帶寬由噪聲增益（或同相增益）和運(yùn)算放大器增益帶寬積 (GBP) 決定?？梢酝ㄟ^(guò)添加與 R₃ 和 R₄ 并聯(lián)的電容器來(lái)完成額外的濾波。如果使用了高值電阻器，那么添加與 R₃ 和 R₄ 并聯(lián)的電容器還將提高電路的穩(wěn)定性。
6. 大信號(hào)性能可能會(huì)受到壓擺率的限制。因此，應(yīng)檢查數(shù)據(jù)表中的最大輸出擺幅與頻率間的關(guān)系圖，以最大程度地減小轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的失真。
7. 有關(guān)運(yùn)算放大器線性運(yùn)行區(qū)域、穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的失真、電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng) ADC 和帶寬的更多信息，請(qǐng)參閱設(shè)計(jì)參考 部分。

設(shè)計(jì)步驟

下面顯示了該電路的完整傳遞函數(shù)。

如果 R₁ = R₂ 并且 R₃ = R₄，那么該電路的傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為以下方程。

• 其中增益 G 為 R₃/R₁。

1. 確定 R₁ 和 R₂ 的起始值。R₁ 和 R₂ 相對(duì)于源的信號(hào)阻抗的大小會(huì)影響增益誤差。
   ${\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_2=10\mathrm{k\Omega }$
2. 計(jì)算該電路所需的增益。
   $\mathrm{G}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{idiffMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{idiffMin}}}=\frac{2.5\mathrm{V}-(-2.5\mathrm{V})}{1.25\mathrm{V}-(-1.25\mathrm{V})}=2\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=6.02\mathrm{dB}$
3. 計(jì)算 R₃ 和 R₄ 的值。
   $\mathrm{G}=2\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=\frac{{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_1}\to 2\times {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_4=20\mathrm{k\Omega }$
4. 計(jì)算滿足最小共模抑制比 (CMRR) 的電阻器容差。對(duì)于最?。ㄗ顗那闆r）的 CMRR，α = 4。對(duì)于更有可能的 CMRR 值或典型的 CMRR 值，α = 0.33。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{CMRR}}_{\mathrm{dB}}?20\log 10\left(\frac{1+\mathrm{G}}{\mathrm{\alpha }\times \mathrm{\epsilon }}\right) \\ \mathrm{\epsilon }=\frac{1+\mathrm{G}}{\mathrm{\alpha }\times {10}^{\left({\displaystyle \frac{{\mathrm{CMRR}}_{\mathrm{dB}}}{20}}\right)}}=\frac{3}{4\times {10}^{\left(\frac{50}{20}\right)}}=0.024=0.24\%\to \mathrm{使用} 0.1 \% \mathrm{電阻器} \end{gathered}$$
5. 為了提供快速參考，下表將電阻器容差與最小和典型 CMRR 值進(jìn)行了比較（假設(shè) G = 1 或 G = 2）。如上所示，當(dāng)增益增大時(shí)，CMRR 也會(huì)增大。

   容差	G=1 最小值 (dB)	G=1 典型值 (dB)	G=2 最小值 (dB)	G=2 典型值 (dB)
   0.01%=0.0001	74	95.6	77.5	99.2
   0.1%=0.001	54	75.6	57.5	79.2
   0.5%=0.005	40	61.6	43.5	65.2
   1%=0.01	34	55.6	37.5	59.2
   5%=0.05	20	41.6	23.5	45.2

設(shè)計(jì)仿真

直流仿真結(jié)果

CMRR 仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)參考資料

有關(guān) TI 綜合電路庫(kù)的信息，請(qǐng)參閱模擬工程師電路手冊(cè)。

請(qǐng)參閱電路 SPICE 仿真文件 SBOC495。

有關(guān)大量運(yùn)算放大器主題（包括共模范圍、輸出擺幅、帶寬和如何驅(qū)動(dòng) ADC）的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) TI 高精度實(shí)驗(yàn)室。有關(guān)差分放大器 CMRR 的更多信息，請(qǐng)閱讀 忽視明顯的事實(shí)：差分放大器的輸入阻抗。

設(shè)計(jì)采用的運(yùn)算放大器

設(shè)計(jì)備選運(yùn)算放大器