一切都很完美

我從一個(gè)案例開(kāi)始，該案例展示了工程師如何在工作臺(tái)上（或使用模擬器）被卷入“理想”組件的謬誤中。順便說(shuō)一句，舉一個(gè)雙晶體管非穩(wěn)定電路的簡(jiǎn)單例子。該電路是對(duì)稱的，并且使用理想元件，在仿真中不太可能振蕩。在現(xiàn)實(shí)生活中，一個(gè)晶體管的β值會(huì)比另一個(gè)晶體管略高，并且會(huì)更早地開(kāi)始傳導(dǎo)，從而在工作臺(tái)上開(kāi)始振蕩。我們可以在模擬中通過(guò)放置初始條件來(lái)幫助模擬器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。如果你運(yùn)行下面的模擬，你就會(huì)明白我的意思。如果您通過(guò)右鍵單擊 .ic 語(yǔ)句并更改單選按鈕將 .ic 語(yǔ)句從注釋轉(zhuǎn)換為 SPICE 指令，您將看到這提供了啟動(dòng)振蕩器的輕微不平衡。

回到這個(gè)案例，客戶報(bào)告了我們的放大器之一ADA4522的臺(tái)式測(cè)試問(wèn)題，他們使用該放大器對(duì)分流器上的電壓進(jìn)行差分檢測(cè)。在該應(yīng)用中，分流器測(cè)量電機(jī)線圈中的電流，因此沒(méi)有理由將其參考到地。

令人驚訝的行為是，差分放大器的輸出似乎也取決于分流器兩端的失調(diào)電壓。如果他們將檢測(cè)電阻與電路隔離，并用一個(gè)眾所周知的電流驅(qū)動(dòng)它，放大器輸出就會(huì)反映該電流。相反，如果在分流器和本地接地之間引入任何直流失調(diào)，放大器輸出就會(huì)發(fā)生變化，比40V直流失調(diào)的預(yù)期值改變約20mV。在100mV的信號(hào)上，40%的誤差是一個(gè)問(wèn)題。客戶通過(guò)改變正負(fù)直流偏移量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與預(yù)期行為的偏差基本上與偏移呈線性關(guān)系。

圖1顯示了通過(guò)分流器在100 mA時(shí)100 mV的預(yù)期放大器輸出，無(wú)偏移，但輸出與預(yù)期值呈線性偏差，施加的失調(diào)。

圖1 - 并聯(lián)直流失調(diào)對(duì)高端電流測(cè)量輸出的影響

他們撓了撓頭，但最終決定將實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到LTspice，通過(guò)使用“打開(kāi)此宏模型的示例電路”按鈕來(lái)模擬電路，并添加一個(gè)源來(lái)模擬共模直流偏移。

仿真與臺(tái)架測(cè)試相匹配，因?yàn)檩敵雠c直流偏移具有線性依賴性，但數(shù)量級(jí)要小得多;小于±2mV，而不是他們?cè)谟布杏^察到的±50mV。如下面的結(jié)果所示，由于放大器的失調(diào)電壓和偏置電流，無(wú)直流偏移時(shí)的預(yù)期值與±1V直流失調(diào)時(shí)的預(yù)期值±42.20mV之間存在很小的差異：

獲得電路洞察力

那么，ADA4522有什么問(wèn)題呢？嗯，沒(méi)有。任何運(yùn)算放大器都顯示出類(lèi)似的結(jié)果或更糟的結(jié)果。施加共模電壓時(shí)的線性失調(diào)是由電阻失配引起的，因?yàn)槿莶顣?huì)影響電路的共模抑制比（CMRR）。實(shí)際上，該電路放大了共模電壓和差壓，盡管幅度較小。在1991年的一篇文章中，拉蒙·帕拉斯-阿雷尼和約翰·韋伯斯特[2]結(jié)果表明，假設(shè)一個(gè)完美的運(yùn)算放大器，共模抑制比為

其中Ad是差動(dòng)放大器的增益，T是電阻容差。根據(jù)Pallás-Areny的說(shuō)法，即使放大器本身具有無(wú)限的CMRR，對(duì)于單位增益配置，使用1%電阻時(shí)，您應(yīng)該預(yù)期的CMRR為34 dB或20mV / V最壞情況，而對(duì)于0.1%電阻，您應(yīng)該期望不會(huì)優(yōu)于54dB或2mV / V的最壞情況。重要的是電阻對(duì)之間值的緊密匹配，而不是絕對(duì)容差。

我問(wèn)客戶使用的電阻器是什么容差電阻器，他們確認(rèn)它們是1%電阻器。他們測(cè)量的共模誤差顯示為20mV/10V = –54dB。因此，他們從 0% 的電阻器中看到 1.1% 的匹配容差性能 – 確實(shí)是非常好的 1% 電阻。

尋找解決方案

為了解決放大器增益通過(guò)不匹配的電阻設(shè)置的事實(shí)，客戶可以通過(guò)兩種方式改善設(shè)計(jì)的共模抑制：

在輸入端放置一個(gè)設(shè)置為增益為1的差動(dòng)放大器（具有足夠的帶寬）。跟隨差分放大器與另一個(gè)放大器產(chǎn)生所需的增益。這些差動(dòng)放大器具有片內(nèi)激光調(diào)整（匹配）電阻，產(chǎn)生90dB或更好的CMRR。電源電流也更低。

堅(jiān)持使用前端的ADA4522，但放棄單個(gè)電阻，并使用LT5400-1四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)。LT5400 的修整電阻器提供了 0.01% 的匹配，采用這種設(shè)置可產(chǎn)生一個(gè) 74dB CMRR 或更好的匹配。

在仿真中使用 CMRR

我們可以創(chuàng)建一個(gè)LTspice仿真文件，顯示電阻失配的影響。在其中，我們可以使用 .step 參數(shù)指令查看完美電阻、0.1% 電阻和 1% 電阻，然后使用 .measure 指令計(jì)算每種情況下的 CMRR。

審核編輯：郭婷