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差动放大电路中电阻误差对电路共模抑制比的影响与蒙特卡洛分析

2020-12-31 14:56
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如《放大器共模抑制比(CMRR)参数评估与电路共模抑制能力实例分析》中案例,由于电阻误差导致电路共模抑制能力下降,是使用通用放大器组建差动放大电路的常见问题之一。工程师常常疑惑1%误差的电阻对共模抑制比产生的影响有多大?本篇将详细讨论,并配合LTspice中蒙特卡洛分析进行仿真。

如图2.44,假定电阻R1~R4是为没有误差的电阻,则电路的CMRR值决定于放大器本身。

    图2.44 ADA4077差动放大电路

输出信号为式2-29。

使用ADA4077共模抑制比的典型值150dB代入式2-29,可得误差与信号占比约为0.0316‰。

将图2.44中电阻R1~R4的阻值误差设定为δ,电路如图2.53。

图2.53 含有电阻误差的差动电路

由于δ远小于1,故电路的差模增益Ad仍为R2比R1,但是共模增益Ac变化很大。在共模输入信号Vcm作用下,输出信号Vo_cm为式2-30。

整理后,可得式2-31。

因此,电路的共模增益Ac为式2-32。

所以电路的共模抑制比为式2-33。

将电阻误差1%,差模增益100代入式2-33,计算图2.53电路的共模抑制比约为2525倍(68dB)。

电路实际输出信号为:

可见,由于电阻误差导致的输出直流误差与信号占比约为39.6%,相比ADA4077自身共模抑制比导致的误差增大12522倍,电路远远不能发挥ADA4077的高共模抑制比优势。所以新一代差动放大器内部集成了经过激光校准的比例电路进行优化。

在LTspice中可以使用蒙特卡洛分析电阻影响,如图1(a)使用ADA4077组建差动放大器,增益为-100倍,输入共模信号为10V,输入差模信号为10mV,理想情况下输出信号-1V。

图1 ADA4077-2电路蒙特卡洛分析

而将电阻R2、R4 设置为1KΩ±1%,R1、R3设置为100KΩ±1%时,使用蒙特卡洛分析结果如图1(b),在电阻误差范围内随机产生100组电阻数据,所得到的输出电压最大值为-1.332V,最高输出电压最小值为-0.673V。


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