一款被完全誤解的器件

作者：Bonnie C. Baker，德州儀器 (TI)

為什么儀表放大器常常被人們誤解呢？圖 1 所示的 三運放儀表放大器看似為一種簡單的結構，因為它使用已經存在了幾十年的基本運算放大器 (op amp) 來獲得差動輸入信號。運算放大器的輸入失調電壓誤差不難理解。運算放大器開環增益的定義沒有改變。運算放大器共模抑制 (CMR) 的簡單方法自運算放大器時代之初就已經有了。那么，問題出在哪里呢？

圖 1 三 運放儀表放大器，其 VCM 為共模電壓，而 VDIFF 為相同儀表放大器的差動輸入。

單運算放大器和儀表放大器的共用 CMR 方程式如下：

本方程式中，G 相當于系統增益，?VCM 為相對于接地電壓同樣施加于系統輸入端的變化電壓，而 VOUT 為相對于變化 VCM 值的系統輸出電壓變化。

在 CMR 方面，運算放大器的內部活動很簡單，其失調電壓變化是唯一的問題。就儀表放大器而言，有兩個影響器件 CMR 的因素。第一個也是較重要的因素是，涉及第三個放大器（圖 1，A3）電阻比率的平衡問題。例如，如果 R1 等于 R3，R2 等于R4，則理想狀況下的 三運放儀表放大器 CMR 為無窮大。然而，我們還是要回到現實世界中來，研究 R1、R2、R3 和 R4 與儀表放大器 CMR 的關系。

具體而言，將 R1：R2 同 R3：R4 匹配至關重要。結合 A3，這 4 個電阻從 A1 和 A2的輸出減去并增益信號。電阻比之間的錯配會在 A3 輸出端形成誤差。方程式 2 在這些電阻關系方面會形成 CMR 誤差：

例如，如果 R1、R2、R3 和 R4 接近相同值，且 R3：R4 等于 R1/R2 的 1.001，則該 0.1% 錯配會帶來儀表放大器 CMR 的降低，從理想水平降至 66 dB 級別。

根據方程式 1，儀表放大器 CMR 隨系統增益的增加而增加。這是一個非常好的特性。方程式 1 可能會激發儀表放大器設計人員確保有許多可用增益，但是這種方法存在一定的局限性。A1 和 A2 開環增益誤差和噪聲。放大器的開環增益等于 20 log (ΔVOUT/ΔVOS)。隨著 A1 和 A2 增益的增加，放大器開環增益失調誤差也隨之增加。A1 和 A2 的輸出振幅變化一般涵蓋電源軌。儀表放大器增益更高的情況下，運算放大器的開環增益誤差和噪聲占主導。通過 RSS 公式，這些誤差降低了更高增益下的儀表 CMR。因此，您會看到儀表放大器的 CMR 性能值往往會在更高增益時達到較大值。

因此，從 CMR 角度來看，儀表放大器就像是一個在不同系統增益下器件各部分都誘發 CMR 誤差的系統。當您對器件的內部原理進行研究時，它便不再如此神秘。您把各個部分都分開來，就會一目了然。

參考文獻

1. 《并非所有 INA 的 CMRR 都相等》，作者：Baker, Bonnie，《電子世界》，2008 年 12 月。

2. 《儀表放大器的正確使用方法》，作者：Kitchin, Counts，EDN，2005 年 9 月 15 日。

3. 如欲了解運算放大器和其他放大器的更多詳情，敬請訪問：http://focus.ti.com.cn/amplifiersandlinear。

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