关于差分放大电路中输入阻抗不平衡问题分析

　　差分放大电路增大输入电阻有什么作用

　　（a）射极偏置差放 （b）电流源偏置差放

　　差放有两个输入端子和两个输出端子，因此信号的输入和输出均有双端和单端两种方式。双端输入时，信号同时加到两输入端；单端输入时，信号加到一个输入端与地之间，另一个输入端接地。双端输出时，信号取于两输出端之间；单端输出时，信号取于一个输出端到地之间。因此，差动放大电路有双端输入双端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出四种应用方式。上面两个电路均为双端输入双端输出方式。

　　差分放大电路的输入电阻分析

　　

　　图1经典差分电路输入电阻分析

　　同时假设以下条件成立：

　　（1）运放理想

　　（2）电阻匹配，设R1=R2=R3=R4=10KΩ

　　设RIN_V2、RIN_V1分别为电路中，从V2端和V1端看进去的输入电阻。

　　如图1所示，V2端的输入电阻比较简单，可以直接看出RIN_V2=R3+R4，由于运放的3端没有电流进入，因此可以得到：

　　RIN_V2=R3+R4

　　=20KΩ

　　下面重点分析RIN_V1是如何得到的：

　　假设在V1端加入信号源V1，在V1的输入端产生了电流I，则理论上来说，RIN_V1可以表示为：

　　RIN_V1=U/I

　　从图3中可以得到：

　　I=（U-VN）/R1

　　而VN=VP=V2*R4/（R3+R4）

　　由式（16）~（18）可以得到：

　　RIN_V1=V1*（R3+R4）*R1/（V1*R3+V1*R4-V2*R4）

　　代入式（8）~（9）并整理，得到：

　　RIN_V1=（2*K2-K1（R3+R4）*R1）/（（2*K2-K1）（R3+R4）-（2*K2+K1）R4）----（20）

　　K1=V2-V1-------------------VCOM两组输入信号之间的差模信号

　　K2=（V2+V1）/2--------------VDEF表示两组信号之间的共模信号

　　从式（20）可以看出，影响RIN_V1取值大小与电阻值、差模信号VDEF、共模信号VCOM的大小相关。

　　现考虑一种简单的情况，设共模信号VOCM为零，即K2=0。

　　带入式（20）中，可以得到：

　　RIN_V1=K1*（R3+R4）*R1/（K1（R3+R4）+K1R4）

　　=（R3+R4）*R1/（R3+2*R4）

　　=6.666KΩ

　　总结：

　　（1）由运放和分离电阻组成的差分电路的性能与运放、电阻匹配度等有关，在实际设计的时候需要考虑各方面因素。

　　（2）差分放大电路的两个输入端的输入电阻值不一致，影响差分放大电路的性能。

　　正是由于经典差分放大电路的缺点，才有了性能更好的差分放大器、仪表放大器等出现。

　　差分放大器的输入阻抗分析

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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（IIN（N））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。