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在上期中，我們探討了一種用于 48V 電動(dòng)汽車冗余電源的級(jí)聯(lián)理想二極管與瞬態(tài)鉗位網(wǎng)絡(luò)的全新方案。

本期，為大家?guī)淼氖恰斗至⑹脚c集成式差分放大器對(duì)比》，介紹了集成式差分放大器與分立式方案的實(shí)測性能對(duì)比，以解決高精度電壓/電流檢測應(yīng)用中如何選擇更優(yōu)實(shí)施方案的問題。

引言

利用運(yùn)算放大器（運(yùn)放）和電阻器網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)建多種實(shí)用電路，差分放大器 (DA)便是其中之一。借助 DA，可以測量兩個(gè)信號(hào)之間的差值，這對(duì)于太陽能電池板、移動(dòng)電源和其他 DC/DC 模塊等系統(tǒng)中的電流和電壓檢測非常有用。此外，許多 DA 可以施加增益，向信號(hào)添加基準(zhǔn)電壓，以及抑制輸入信號(hào)產(chǎn)生的共模噪聲。

DA 主要有兩種類型：分立式（使用外部電阻器）和集成式（使用單片或片上電阻器）。本文將通過實(shí)測數(shù)據(jù)（包括偏移電壓、共模抑制比 [CMRR]、增益誤差及增益誤差溫漂）對(duì)這兩種 DA 實(shí)施方案進(jìn)行對(duì)比分析。

增益誤差

如圖 1 所示，典型的 DA 由一個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)電阻器組成。R1/R2 電阻梯的中點(diǎn)連接到運(yùn)放的反相端子，而 R3/R4 的中點(diǎn)連接到同相端子。

圖 1 一種典型 DA

公式 1 描述了一種典型 DA 的傳遞函數(shù)。請注意，R2 和 R1 的比率（假設(shè) R1 = R3、R2 = R4）決定了增益。如果要嘗試實(shí)現(xiàn)低增益誤差，則需要匹配電阻器。容差為 ±1% 的電阻器可能會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 2% 的增益誤差。分立式電阻器的性能表現(xiàn)可能存在較大差異，而集成式 DA 中的單片電阻器通常經(jīng)過修整，可實(shí)現(xiàn)低至 0.01% 的增益誤差。

方程式1.

增益誤差漂移

增益漂移是另一個(gè)重要參數(shù)，尤其是在一天中或整個(gè)運(yùn)行過程中溫度可能會(huì)波動(dòng)的系統(tǒng)中，例如太陽能電池板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電池組等。由于TI INA600 DA的薄膜電阻器都集成與同一封裝內(nèi)并相互交錯(cuò)，所有四個(gè)電阻器都會(huì)感知到溫度波動(dòng)，進(jìn)而會(huì)在保持相同增益比的同時(shí)產(chǎn)生漂移。在采用外部電阻器的分立式實(shí)施方案中，DA 的增益漂移性能可能存在很大差異，因?yàn)闇囟犬a(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)在電路板表面形成梯度分布，進(jìn)而導(dǎo)致輸入信號(hào)上施加的增益發(fā)生變化。

失調(diào)電壓

對(duì)輸入信號(hào)施加增益時(shí)，偏移電壓的大小會(huì)顯著影響輸出信號(hào)上引入的誤差量。因此，我們建議在電壓或電流檢測應(yīng)用中優(yōu)先選擇具有出色偏移電壓的運(yùn)放。在構(gòu)建分立式 DA 時(shí)，您可以靈活選用任何可用的運(yùn)放作為設(shè)計(jì)核心；而集成式 DA 的偏置電壓則是固定的，且取決于內(nèi)部運(yùn)放。不過，借助諸如e-Trim 運(yùn)算放大器技術(shù)等電阻器修整方法，可以降低集成式 DA 的偏置電壓。

CMRR

對(duì)于電壓和電流檢測應(yīng)用，在考慮 DA 時(shí)，抑制共模信號(hào)的能力是一個(gè)主要考慮因素。與增益誤差類似，CMRR將取決于所使用元件（例如電阻器）的匹配情況。雖然典型運(yùn)放的 CMRR 可能高達(dá) 100dB，但引入失配電阻器可能使 CMRR 驟降至 60dB，因此它們不太適合嘈雜環(huán)境中的工業(yè)系統(tǒng)。典型集成式 DA 的 CMRR 通常保持在 90dB 以上，最高可達(dá) 130dB。

支持超電源軌電壓監(jiān)測的增益配置

DA 通常采用單位增益配置（意味著增益 = 1），但增益可以在 0.5 至 2 之間變化。通過更改 DA 中電阻器網(wǎng)絡(luò)的值，可以針對(duì)需要更大衰減來將電壓降至 ADC 輸入范圍（3.3V 或 5V）的不同應(yīng)用實(shí)現(xiàn)寬范圍的增益比。如圖 2 所示，更改電阻器網(wǎng)絡(luò)值可實(shí)現(xiàn)更大的衰減。

圖 2 INA600A DA 與 INA597 DA 的比較

DA 的一個(gè)被忽略的優(yōu)勢是能夠讓輸入超出電源軌范圍。電阻梯會(huì)對(duì) DA 的輸入電壓進(jìn)行分壓，因此集成放大器收到的輸入僅是衰減后的電壓。使用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放時(shí)，電源電壓會(huì)限制共模電壓范圍。DA 的這種靈活性使其適用于在可用電源軌數(shù)量有限時(shí)監(jiān)測更高的電壓。如圖 3 所示，輸入電壓范圍擴(kuò)展到了 DA 的建議電源電壓范圍以外。

圖 3 INA600 DA 的建議運(yùn)行條件

在功率密度較高的系統(tǒng)中，開關(guān)頻率提升和印刷電路板布線引起的寄生電感增加可能會(huì)導(dǎo)致額外的電壓擾動(dòng)，進(jìn)而影響電壓監(jiān)測精度，因?yàn)楣材Ｔ肼暉o法完全消除。雖然采用高 CMRR 的集成式 DA 將消除在輸入端觀察到的任何共模噪聲，但考慮到電阻器的輕微失配（尤其是在增益比較高時(shí)），很難通過分立式 DA 中的外部電阻器實(shí)現(xiàn)高 CMRR。

公式 2 表示寄生電感和開關(guān)頻率對(duì)信號(hào)的電壓擾動(dòng)量的影響：

方程式2.

圖 4 展示了集成式 DA 的 CMRR 隨頻率變化的性能。

圖 4 INA600 DA 的輸出參考 CMRR 與頻率間的關(guān)系

測試設(shè)置與對(duì)比

我們使用了CMRR 和偏移電壓誤差作為衡量各電路在不同溫度下的性能表現(xiàn)的指標(biāo)。對(duì)于每個(gè)器件，我們將一個(gè)精密源測量單元連接到 DA 的兩個(gè)輸入引腳，并使用經(jīng)過校準(zhǔn)的 8.5 位數(shù)字萬用表測量偏移電壓變化。所有測試均經(jīng)過五次掃描并取平均值，以精確反映器件性能。測試配置為：共模電壓掃描范圍 -35V 至 35V，采用 ±18V 雙電源配置。我們使用烘箱進(jìn)行了過熱測試，并留出足夠的浸泡時(shí)間，以確保整個(gè)測試板的溫度一致。

通過在器件輸入端施加差分電壓，并將共模電壓保持在中點(diǎn)值，可同步測試增益誤差與增益誤差漂移。使用相應(yīng)的輸入范圍掃描每個(gè)器件，強(qiáng)制其輸出介于 -10V 至 +10V 之間，這樣就可以比較實(shí)際斜率與理想斜率，從而評(píng)估增益誤差的百分比。

表 1 比較了在不同工作溫度下分立式 DA 和兩個(gè) TI 集成式 DA 的 CMRR 性能和偏移。

表 1 CMRR 和偏移電壓比較

表 2 比較了相同的分立式 DA 和集成式 DA 在不同工作溫度下的增益誤差和漂移性能。

表 2 增益誤差和漂移比較

正如預(yù)期的那樣，與分立式 DA 相比，集成式 DA 在實(shí)現(xiàn)高 CMRR、低增益誤差和低增益誤差漂移方面表現(xiàn)尤為出色。雖然分立式 DA 的偏移電壓性能優(yōu)于其中一個(gè)集成式 DA，但可以通過軟件校準(zhǔn)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。

圖 5 顯示了三種 DA 型號(hào)各自的簡化布局，并比較了每種解決方案的尺寸。出于比較目的，我們使用了最小的器件封裝，以及采用 0402 封裝的電阻器和電容器。

圖 5 尺寸比較

結(jié)語

雖然有很多方法可以實(shí)現(xiàn)電壓檢測，但集成式 DA 提供了分立式實(shí)施方案難以企及的卓越性能優(yōu)勢。對(duì)于TI INA600 等集成式差分放大器，運(yùn)放電源電壓導(dǎo)致的輸入電壓限制不再構(gòu)成設(shè)計(jì)障礙，同時(shí)高衰減比特性使其在監(jiān)測超過電源軌的電壓時(shí)具有更高的靈活性。