忽视显而易见的东西:差分放大器的输入阻抗

单片差分放大器是集成电路,包含一个运算放大器(运放)以及不少于四个采用相同封装的精密电阻器。对需要将差分信号转换成单端信号同时抑制共模信号的模拟设计人员而言,它们是非常有用的构建块。例如,图1所示的INA134目的是用作适合差分音频接口的线路接收器。

1INA134差分线路接收器的简化内部原理图

 

虽然大多数设计人员都感觉这种简单的构件块用起来非常轻松惬意,但笔者还是发现在使用它们时有一个方面经常被忽视:差分放大器的两个输入端具有不同的有效输入电阻。笔者所说的“有效输入电阻”指的是由内部电阻器阻值和运放的运行产生的输入电阻。

 

图2展示了INA134的典型配置,具有标记的输入电压和电流以及内部运放输入节点处的电压。

2:用于差分放大器有效输入电阻分析的相关电压和电流

 

对于每个输入端,方程式1均将有效输入电阻诠释为:

 

 

 

 

让我们先从比较容易的部分开始:同相输入端。看图2中的示意图,您会发现R3和R4是串联的。假设没有电流进入或离开运放输入端,那么方程式2计算出的有效输入电阻仅为:

 

现在,让我们聚焦反相输入端。回想一下理想的运放规则:运放的两个输入端应始终处于相同的电势(方程式3):

您还可看到R3和R4在同相输入端形成了一个分压器。方程式4计算出的运放同相输入端(VP)电压为:

 

这为什么很重要呢?哦,因为该电压可部分决定反相输入端的有效输入电阻。考虑到通过R1的电流(IINN)等于跨R1的电压除以其电阻(方程式5):

 

返回到方程式1,用方程式5代替输入电流,您可得出方程式6 —— 一个可计算出反相输入电阻的通用方程:

既然您知道反相输入端的电压(VN)将等于同相输入端的电压(VP),您就可用方程式4代替方程式6中的VN,得出方程式7:

注意,反相输入端的有效输入电阻实际上取决于两个输入端电压的比率。要了解这如何能影响您的应用,请考虑一个例子:在音频线路接收器应用里使用的INA134,其中两个输入端的电压幅值相等但极性相反(方程式8):

回过头看一下方程式2,同相输入端的有效输入电阻是相当简单的:

 

不过,两个输入端电压的反相关系会对反相输入端的有效输入电阻产生重大影响(方程式9):

 

反相输入端的有效输入电阻是同相输入端有效输入电阻的三分之一。因此,在选择输入耦合电容器和滤波电路时,您必须考虑到反相输入端的阻抗较低。此外,任何驱动差分放大器输入端的放大器必须能驱动反相输入端较低的阻抗。

 

采用简单的电路,往往是其运行的最基本方面会在实验室中惹出麻烦。因此,请勿忽视显而易见的东西!

 

其它资源

 

原文链接: 
  • 我认为实用的电路图为1

    电路平衡输出,差分放大,提高共模抑制比,抑制零点漂移

    以前做硬件设计时候大多采用这种方式

  • 越是觉得简单的电路,越是会忽略一些细节。这里INA134目的是用作适合差分音频接口的线路接收器,这篇分析写的很仔细,运放里面有很多东西其实是很值得我们去细细分析的。

  • 我认为最实用的电路图是 图1

    INA134集成4个精密电阻,能够简化电路设计,非常实用

  • 我觉得INA2134作为在差分线路接收器组成的高性能的运算放大器芯片里算是很好的了,主要是微调精确和共模抑制方面做的不错,保持的增益电阻精度和温度控制,有着很好的交流规格,看这公式计算,宽输出电压幅度,强大的输出驱动能力,可以胜任很多艰难的环境下使用。在AV接收器,广播播放器,音频混合器方面做的更好。这款芯片内部电路,我们可以看到所包含的运算放大器和至少四个精密的电阻器,可很好的用作适合差分音频接口的线路接收器。总体从电路上来说虽然有些缺陷,但作为音频发送器、接收器、收发器设计来说,还是很不错的。可以从文章中对这些公式细细分析,电阻取决于输入电压的比率,对于设计要有所注意,正比反比不要搞错。反相关系对于电阻的影响也可以根据公式计算而得到精确数据来选择耦合电容和怎样的滤波电路。

  • 文章对于图2电路的同相和反相端的输入阻抗分析很细致,应用中确实有很大的实用价值。除此之外,若要将多个差动放大器串联来使用,各个差动放大器的输入阻抗也有可能不同。差动放大器使用过程中不能忽视其内部的电阻,有时候会对电路的阻抗产生很大的影响。

  • 图2展示了INA134的典型配置,INA134的差分线路接收ERS精密电阻片上的高性能运算放大器组成。有指定的高性能音频应用,包括低失真和高压摆率,良好的动态响应。此外,宽输出电压摆幅和高输出驱动能力,允许使用在多种要求苛刻的应用程序。

    INA134片上电阻经过激光精确的增益和最佳共模抑制。此外,优异的TCR跟踪电阻随温度保持增益精度和共模抑制。

  • 大多数应用程序不需要外部失调调整。图2显示了一个微调的输出失调电压可选电路。输出是指输出参考端(1脚),这通常是接地。适用于REF端电压将输出信号与总结。这可以用来为null偏移电压,如图2所示。号终端的信号源阻抗应小于10 Ω ,以保持良好的共模抑制。 

  • 我觉得图1比较实用

    内部四个平衡电阻使得差分端保持平衡,内部集成电阻经过激光校正,避免了外接电阻导致的误差,能够获得精确的增益和最佳共模抑制,当然了对于我们使用者来说,能够满足设计的性能要求就ok了。

    使用心得:曾经用过TI的INA128,虽然不是将其不是将单端转化为差分端,但是其内部几层了三个运放以及平衡电阻,只需外接一个电阻即可控制增益,非常便于设计,而INA134多用在类似于音频处理这样高性能要求的场合。

  • 看似简单的差动放大器,实质的学问这么大,也特别容易忽视,文章对于差动放大器的输入阻抗分析的十分到位,得出结论反相输入端的有效输入电阻是同相输入端有效输入电阻的三分之一,涨姿势了,以后应用时需要注意~~

  • 我觉得这个电路最实用~~

    看似简单的差动放大器,实质的学问这么大,也特别容易忽视,文章对于差动放大器的输入阻抗分析的十分到位,得出结论反相输入端的有效输入电阻是同相输入端有效输入电阻的三分之一,涨姿势了,以后应用时需要注意~~

  • 我认为最实用的电路图就是图一这种基本放大电路

    以前我们考虑放大电路的时候一般都是要算一下输入输出阻抗的,计算方法就是这种“虚短、虚断”的方法还有就是上面计算电阻那种戴维南定律。不过这种放大器很多时候首要考虑的还是放大效果,输入输出阻抗有个基本的印象就好

  • 图2电路的同相和反相端的输入阻抗分析很细致,确实是显而易见但容易忽略。

  • INA134差分器件非常实用,内部集成高精度器件,差分放大,能够有较高的共模抑制比,放大小信号。非常好。

  • 文章分析的很到位!以前做巴特沃斯滤波的时候,质量差的运放,它的等效内阻很低,我计算过,不到100K样子,这样的话,使用起来,简单的虚短虚断没法去计算外部电阻。文章中提出的关键定量分析了等效内阻的阻值,很值得学习!

  • 我认为最实用的电路图就是图一这种基本放大电路

    INA134集成4个精密电阻,能够简化电路设计,非常实用,而且能够获得精确的增益和最佳共模抑制。

    以前考虑放大电路的时候一般都是要算一下输入输出阻抗的,计算方法就是这种“虚短、虚断”的方法还有就是上面计算电阻那种戴维南定律。不过这种放大器很多时候首要考虑的还是放大效果,输入输出阻抗有个基本的印象就好