我们能够增加固定增益差分放大器的增益吗?
答案:
可以,通过增加更多的电阻。
经典的四电阻差分放大器可以解决许多测量难题。但是,总有一些应用需要的灵活性比这些放大器所能提供的更高。由于在差分放大器中电阻匹配直接影响到增益误差和共模抑制比(CMRR),所以将这些电阻集成到同一个裸片上可以实现高性能。但是,仅仅依靠内部电阻来设置增益,用户就无法在制造商的设计选择之外灵活选择自己想要的增益。
在信号链中使用固定增益放大器时,如果需要更多的增益,通常会添加另一个放大器级来实现所需的总增益。虽然这种方法非常有效,但它会增加整体的复杂性、所需的板空间、噪音、成本等。或者,您可以选择另一种方法,在不增加第二个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,此举可以减少整体的负反馈,从而获得更高的整体增益。
在典型的负反馈配置中,反馈给反相输入的输出部分被称为β,电路的增益为1/β。β=1时,整个输出信号被返回给反相输入端,由此实现单位增益缓冲器。β值较低时,实现的增益较高。
图1.负反馈:非反相运算放大器配置。
为了提高增益,必须降低β。这可以通过增加R2/R1的比率来实现。但是,目前对于固定增益的的差动放大器还没有办法通过降低其传输到反相端的反馈来提高整体增益,因为这需要用到更大的反馈电阻或更小的输入电阻。通过将输出反馈提供给差动放大器的基准引脚,也就是同相输入端,即可提高之前的固定增益放大器的增益。此放大电路产生的复合反馈系数β(βc)是β-和β+之间的差值,该系数同时也将决定放大电路的增益和带宽。请注意,β+提供的是正反馈,因此必须确保净反馈仍然为负(β– > β+)。
图2.组合β。
为了使用β+调节电路增益,第一步是计算β-(初始电路的β)。注意,衰减项G_attn是差动放大器的正输入信号与运算放大器的同相端输入之比。
G0 = G_attn
× 噪声增益
噪声增益 = 1/β–
β– =
G_attn/G0β– = G_attn/G0
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(1)
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一旦选定所需的增益,就可以确定所需的β以及β+。因为固定增益放大器的增益是已知的,所以能够很简单地计算出β。
βc =
G_attn/G1
βc = β– – β+
β+ =
G_attn(1/G0 – 1/G1)
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(2)
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β+的量正好是输出信号返回至运算放大器的同相输入端的一部分。记住,反馈会通过β+路径至基准引脚,反馈信号会通过两个电阻的分压器(见图3),这两个分压电阻阻值必须要通过计算才能实现正确的β+。
差动放大器的一个关键特性是CMRR。正极和负极网络上的电阻比是否匹配对于能否实现出色的CMRR至关重要,因此电阻(R5)也应该与正输入电阻串联,以平衡基准引脚上增加的电阻。
为了确定电阻R3和R4,可以使用戴维南等效电路来简化分析。
如上所述,为了保持良好的CMRR,必须添加R5。R5的值由R3和R4的并联组合决定,其系数与输入衰减器中的电阻相同。因为R1/R2
= (1/G_attn) - 1这个比率,R1和R5分别可以用比率已定的R2和R3||R4代替。
如前所述,VOUT至简化电路的A_in+的增益必须等于1/β+。
Vth × α/(α +
1) = VA_in+
因为
VA_in+/VOUT
= β+
其中
β+ =
G_attn(1/G0 – 1/G1)
R4/(R3 +
R4)) = (1/α) × (1/G0 – 1/G1)
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(4)
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