為何儀表放大器的PSRR及CMRR會(huì)隨增益的提高而改善？

對(duì)于儀表放大器，電子工程師在計(jì)算由電源或共模電壓變化產(chǎn)生的失調(diào)偏移時(shí)很容易產(chǎn)生困惑。

這種困惑的根本原因如下圖1 所示。

在圖 1 中，放大器的電源抑制比 (PSRR) 隨放大器增益配置的升高而增加。這樣很容易讓人想到，在高增益下產(chǎn)生任何輸出偏移，都需要電源的明顯變化!

圖 1：儀表放大器的典型電源抑制比曲線

但一定要記?。汗材Ｒ种票?(CMRR) 和 PSRR 都是輸入?yún)⒖紖?shù)：

PSRR 和 CMRR 定義為輸入失調(diào)電壓變化 ΔVOS(IN) 與電源電壓變化 ΔVS 或共模電壓變化 ΔVCM 的比值。

為了了解增益對(duì)這些參數(shù)的影響，請(qǐng)將大多數(shù)儀表放大器看成兩個(gè)串行的放大器級(jí)，一個(gè)輸入級(jí)放大器(如圖 2 中 G1 所示)和一個(gè)輸出級(jí)放大器(如 G2 所示)。電源或共模電壓的變化會(huì)造成每個(gè)放大器級(jí)失調(diào)電壓的變化，如圖中 ΔVOS1 和 ΔVOS2 所示。

圖 2：大多數(shù)儀表放大器的概念圖

在需要計(jì)算輸入時(shí)，用輸入級(jí)增益 G1 除第二個(gè)失調(diào)電壓變化 ΔVOS2。最后，由于兩個(gè)失調(diào)變化的極性未知，可能為正也可能為負(fù)，因此可推導(dǎo)出公式 2：

在儀表放大器產(chǎn)品說明書中可找到該公式，從而可計(jì)算出由溫度、電源和共模電壓等不同因素所引起的輸入失調(diào)變化值：

圖 3：內(nèi)容摘自產(chǎn)品說明書，說明不同因素所導(dǎo)致的輸入失調(diào)變化。

將公式 2 代入公式 1，就很容易得出增益如何影響儀表放大器的 PSRR 和 CMRR：

從輸入級(jí)增益除以第二個(gè)放大器失調(diào)電壓的變化值 ΔVOS2 可以得出，這兩個(gè)參數(shù)會(huì)隨增益的提高而增大。

到目前為止，我們一直關(guān)注的只是輸入失調(diào)的變化，但輸出端會(huì)怎樣呢?畢竟我們通常真正關(guān)心的是放大器輸出。很明顯，我們可用 ΔVOS(IN) 乘以放大器總體增益來計(jì)算 ΔVOS(OUT)。

很多儀表放大器的輸出級(jí)增益都為 1，這就意味著放大器總體增益由輸入級(jí)增益決定。這樣我們就可將公式 4 簡化為：

由于輸入級(jí)現(xiàn)已成為主要誤差源，因此儀表放大器的 CMRR 和 PSRR 參數(shù)可在較高增益下得到改善。但是，還有一個(gè)我們尚未討論的影響。細(xì)心的讀者在觀察圖 3 時(shí)可能已經(jīng)注意到了：輸出級(jí)失調(diào)比輸入級(jí)差。

前面討論了為什么儀表放大器電源抑制比 (PSRR) 及共模抑制比 (CMRR) 會(huì)隨放大器增益的提高而改善。

回到儀表放大器的簡化模型(如圖 4 所示)中，我們可以再次回想起 PSRR 與 CMRR 都是輸入?yún)⒖紖?shù)。

圖 4：儀表放大器的概念模型

在更高的增益下，當(dāng)需要計(jì)算輸入時(shí)，可用輸入級(jí)增益除以第二級(jí)失調(diào)的變化：

(6)

這里就是二級(jí)放大器概念模型不完備的地方。例如：如果兩個(gè)二級(jí)放大器的失調(diào)變化相同，而且極性也相同時(shí)會(huì)怎樣呢?也就是說：

(7)

對(duì)比增益為 1000 及增益為 1 的放大器在 PSRR 方面的改善情況：

(8)

如果輸入?yún)⒖际д{(diào)變化減少一半，PSRR 就可提高 6dB。但是在將增益從 1 提升至 1000 時(shí)，典型儀表放大器的 PSRR 可能會(huì)提高達(dá) 30dB。顯然，ΔVOS1 必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 ΔVOS2 才能實(shí)現(xiàn)這種水平的改善。

我們通過仔細(xì)觀察圖 2 中三運(yùn)算放大器儀表放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)便可明白如何實(shí)現(xiàn)這種可能性。由放大器 A3 和電阻器 R3、R4、R5 以及 R6 組成的輸出級(jí)可作為差分放大器配置。如果電阻器 R3、R4、R5 和 R6 符合以下比例：

(9)

那么輸出級(jí)就將只放大輸入級(jí)的差分電壓，抑制兩個(gè)輸入端的共模。

圖 5：三運(yùn)算放大器儀表放大器的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?/p>

放大器的輸入級(jí)包含兩個(gè)放大器：A1 和 A2。電源電壓或共模電壓的變化會(huì)帶來這兩個(gè)放大器輸入失調(diào)的相應(yīng)變化，在圖 6 中分別使用 ΔVOS1A 和 ΔVOS1B 表示。

圖 6：儀表放大器的輸入級(jí)放大器及其各自的失調(diào)情況

讓我們來看看這種情況，A1 和 A2 的非反相輸入接地，并將輸入級(jí)增益配置為 1?，F(xiàn)在，假設(shè)電源電壓的變化會(huì)導(dǎo)致 A1 和 A2 的輸入失調(diào)電壓發(fā)生變化。那么，接地的每個(gè)放大器輸出都將在失調(diào)電壓中反映出這種變化。輸入級(jí)的輸出共模電壓將為：

(10)

而輸出差分電壓則將為：

(11)

前面已提到過輸出級(jí)差分放大器抑制共模電壓，只有差分電壓可傳輸至輸出端。因此，輸入級(jí)的輸入?yún)⒖际д{(diào)變化 (ΔVOS1) 實(shí)際上由 ΔVOS1A 與 ΔVOS1B 之差決定，而非其絕對(duì)量級(jí)!

通過對(duì) IC 進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與布局，這兩種失調(diào)就可獲得良好的匹配，從而可將輸入級(jí)失調(diào)變化平均降至輸出級(jí)的大約十分之一。

儀表放大器的 CMRR 與 PSRR 參數(shù)不會(huì)如魔法般地隨增益提高而改善，事實(shí)上它是多級(jí)拓?fù)渑c差分放大器輸出級(jí)的結(jié)果。

輸入放大器的精確匹配與輸出級(jí)電阻器的正確布局有助于現(xiàn)代 IC 儀表放大器為電子工程師提供我們已習(xí)以為常的巨大抑制功能。