Q: 我們(men) 能夠增加固定增益差分放大器的增益嗎？

A: 可以，通過增加更多的電阻。

經典的四電阻差分放大器可以解決(jue) 許多測量難題。但是，總有一些應用需要的靈活性比這些放大器所能提供的更高。由於(yu) 在差分放大器中電阻匹配直接影響到增益誤差和共模抑製比(CMRR)，所以將這些電阻集成到同一個(ge) 裸片上可以實現高性能。但是，僅(jin) 僅(jin) 依靠內(nei) 部電阻來設置增益，用戶就無法在製造商的設計選擇之外靈活選擇自己想要的增益。

在信號鏈中使用固定增益放大器時，如果需要更多的增益，通常會(hui) 添加另一個(ge) 放大器級來實現所需的總增益。雖然這種方法非常有效，但它會(hui) 增加整體(ti) 的複雜性、所需的板空間、噪音、成本等。或者，您可以選擇另一種方法，在不增加第二個(ge) 增益級的情況下增加係統增益。通過在固定增益放大器上增加幾個(ge) 電阻來提供正反饋路徑，此舉(ju) 可以減少整體(ti) 的負反饋，從(cong) 而獲得更高的整體(ti) 增益。

在典型的負反饋配置中，反饋給反相輸入的輸出部分被稱為(wei) β，電路的增益為(wei) 1/β。β=1時，整個(ge) 輸出信號被返回給反相輸入端，由此實現單位增益緩衝(chong) 器。β值較低時，實現的增益較高。

圖1. 負反饋：非反相運算放大器配置

為(wei) 了提高增益，必須降低β。這可以通過增加R2/R1的比率來實現。但是，目前對於(yu) 固定增益的的差動放大器還沒有辦法通過降低其傳(chuan) 輸到反相端的反饋來提高整體(ti) 增益，因為(wei) 這需要用到更大的反饋電阻或更小的輸入電阻。通過將輸出反饋提供給差動放大器的基準引腳，也就是同相輸入端，即可提高之前的固 定增益放大器的增益。此放大電路產(chan) 生的複合反饋係數β(βc)是β-和β+之間的差值，該係數同時也將決(jue) 定放大電路的增益和帶寬。請注意，β+提供的是正反饋，因此必須確保淨反饋仍然為(wei) 負(β– > β+)。

圖2. 組合β

為(wei) 了使用β+調節電路增益，第一步是計算β-（初始電路的β）。注意，衰減項G_attn是差動放大器的正輸入信號與(yu) 運算放大器的同相端輸入之比。

一旦選定所需的增益，就可以確定所需的β以及β+。因為(wei) 固定增益放大器的增益是已知的，所以能夠很簡單地計算出β。

β+的量正好是輸出信號返回至運算放大器的同相輸入端的一部分。記住，反饋會(hui) 通過β+路徑至基準引腳，反饋信號會(hui) 通過兩(liang) 個(ge) 電阻的分壓器（見圖3），這兩(liang) 個(ge) 分壓電阻阻值必須要通過計算才能實現正確的β+。

差動放大器的一個(ge) 關(guan) 鍵特性是CMRR。正極和負極網絡上的電阻比是否匹配對於(yu) 能否實現出色的CMRR至關(guan) 重要，因此電阻(R5)也應該與(yu) 正輸入電阻串聯，以平衡基準引腳上增加的電阻。

圖3. 四電阻固定增益差分放大器：增益調整

為(wei) 了確定電阻R3和R4，可以使用戴維南等效電路來簡化分析。

圖4. 戴維南等效電路

如上所述，為(wei) 了保持良好的CMRR，必須添加R5。R5的值由R3和R4的並聯組合決(jue) 定，其係數與(yu) 輸入衰減器中的電阻相同。因為(wei) R1/R2 = (1/G_attn) - 1這個(ge) 比率，R1和R5分別可以用比率已定的R2和R3||R4代替。

圖5. 經過簡化的正輸入電阻網絡

如前所述， VOUT至簡化電路的A_in+的增益必須等於(yu) 1/β+。

由於(yu) R3和R4拉載運算放大器，所以應該注意不要選擇太小的值。一旦選定了所需的負載(R3 + R4)，就可以利用公式4輕鬆計 算得出R3和R4的值。R3和R4確定之後，可以利用R3||R4 × β計算得出R5。

因為(wei) 這種技術依賴於(yu) 電阻比，所以具備很高的靈活性。在噪聲和功耗之間需要進行權衡，電阻值應該足夠大，可以防止運算放大器過載。此外，由於(yu) R5與(yu) R3和R4成比例，所以應該使用相同類型的電阻，以在各種溫度下保持良好性能。如果R3、R4和R5一起漂移，那麽(me) 這個(ge) 比例將保持不變，並且由於(yu) 這些電阻，即使有熱漂移，也會(hui) 保持在最低水平。最後，由於(yu) 運算放大器的增益更高，所以獲得的帶寬會(hui) 按照增益帶寬積的βc/β比例降低。

AD8479可以實現這種技術的典型應用，它是一個(ge) 單位增益 的高共模差動放大器。AD8479能夠在±600 V共模下測量差分信號，並且具有固定的單位增益。有些應用需要的增益大於(yu) 單位增益，因此很適合采用之前提到的技術。電流檢測應用需要的 另一個(ge) 常見增益是10，因此可以讓G1 = 10。

由於(yu) AD8479會(hui) 衰減共模信號，獲得更高的差分信號，然後獲得單位係統增益，所以在實施增益調整時需要考慮這一點。

由於(yu) 正基準的增益為(wei) 60，正輸入的增益為(wei) 1，所以電路的噪聲增益為(wei) 61。此外，由於(yu) 總體(ti) 增益是一致的，所以G_attn必須是1/噪聲增益：

R3和R4可以使用公式6計算得出：

AD8479的增益為(wei) 指定增益，負載為(wei) 2 kΩ，所以R3 + R4的目標增益如下。

為(wei) 了使用標準電阻值構建這個(ge) 電阻，所以需要使用並聯電阻來實現比使用單個(ge) 標準電阻可以實現的更準確的比例。

圖6. G = 10時，AD8479的最終原理圖

從(cong) 圖7中可以看出，獲得的輸出（藍色）是預期輸入（黃色）的10倍。

圖7. G = 10時，AD8479的輸入和輸出示波器捕捉圖

增益為(wei) 10的電路的標稱帶寬應為(wei) 典型的AD8479帶寬的1/10，這是因為(wei) βc/β– = 1/10，而實際測量的–3 dB頻率為(wei) 48 kHz。

圖8. G = 10: –3 dB頻率時的AD8479

圖9顯示獲得的脈衝(chong) 響應和特征與(yu) 預期一致。壓擺率與(yu) 標準的AD8479壓擺率一致，但因為(wei) 帶寬減小，所需的建立時間更長。

圖9. G = 10: 脈衝(chong) 響應時的AD8479

由於(yu) 新電路為(wei) 運算放大器的兩(liang) 個(ge) 輸入端提供反饋，所以運算放大器的共模會(hui) 受到兩(liang) 個(ge) 輸入端的信號影響。這會(hui) 改變電路的輸入電壓範圍，因此應該對其進行評估，以免過度驅動運算放大器。此外，由於(yu) 噪聲增益增加，所以輸出端的噪聲電壓頻譜和峰峰值也會(hui) 按相同比例增加；但是，當信號被引用到輸入時， 產(chan) 生的影響可以忽略不計。最後，增益增加的電路的CMRR與(yu) 前一個(ge) 電路的CMRR相等（假設R3、R4和R5電阻不會(hui) 額外增加共模誤差）。由於(yu) R5是用於(yu) 在增加R3和R4的情況下來修正CMRR的，所以可以對CMRR進行調優(you) ，使其比原來使用R5的電路更好。但是，這需要進行微調，且在此過程中，您需要適當權衡和調整CMRR的增益誤差。

實施這個(ge) 過程時，您可以利用固定增益差分放大器的優(you) 點，而不受其固定特性限製。由於(yu) 該技術是通用的，它還可以和許多其他差分放大器一起使用。在不增加任何有源組件的情況下，簡單增加三個(ge) 電阻可以在信號鏈中實現更高的靈活性，這有助於(yu) 降低成本、複雜性和電路板大小。

圖7. G = 10時，AD8479的輸入和輸出示波器捕捉圖

增益為(wei) 10的電路的標稱帶寬應為(wei) 典型的AD8479帶寬的1/10，這是因為(wei) βc/β– = 1/10，而實際測量的–3 dB頻率為(wei) 48 kHz。

圖8. G = 10: –3 dB頻率時的AD8479

圖9顯示獲得的脈衝(chong) 響應和特征與(yu) 預期一致。壓擺率與(yu) 標準的AD8479壓擺率一致，但因為(wei) 帶寬減小，所需的建立時間更長。

圖9. G = 10: 脈衝(chong) 響應時的AD8479

由於(yu) 新電路為(wei) 運算放大器的兩(liang) 個(ge) 輸入端提供反饋，所以運算放大器的共模會(hui) 受到兩(liang) 個(ge) 輸入端的信號影響。這會(hui) 改變電路的輸入電壓範圍，因此應該對其進行評估，以免過度驅動運算放大器。此外，由於(yu) 噪聲增益增加，所以輸出端的噪聲電壓頻譜和峰峰值也會(hui) 按相同比例增加；但是，當信號被引用到輸入時， 產(chan) 生的影響可以忽略不計。最後，增益增加的電路的CMRR與(yu) 前一個(ge) 電路的CMRR相等（假設R3、R4和R5電阻不會(hui) 額外增加共模誤差）。由於(yu) R5是用於(yu) 在增加R3和R4的情況下來修正CMRR的，所以可以對CMRR進行調優(you) ，使其比原來使用R5的電路更好。但是，這需要進行微調，且在此過程中，您需要適當權衡和調整CMRR的增益誤差。

AD8479

●共模電壓範圍：±600 V

●軌到軌輸出

●固定增益：1

●寬電源範圍：±2.5 V至±18 V

●電源電流：550 μA（典型值）

●出色的交流規格

   ●共模抑製比(CMRR)：90 dB（最小值）

   ●310 kHz帶寬

●高精度直流性能

   ●增益非線性度：5 ppm（最大值）

   ●失調電壓漂移：10 µV/°C（最大值）

   ●增益漂移：5 ppm/°C（最大值）

實施這個(ge) 過程時，您可以利用固定增益差分放大器的優(you) 點，而不受其固定特性限製。由於(yu) 該技術是通用的，它還可以和許多其他差分放大器一起使用。在不增加任何有源組件的情況下，簡單增加三個(ge) 電阻可以在信號鏈中實現更高的靈活性，這有助於(yu) 降低成本、複雜性和電路板大小。

（來源：亞(ya) 德諾半導體(ti) ）