利用电阻网络设置差分放大器的固定增益

类似设计思路发表于2009年7月20日的EDN杂志。

如果差分放大器的固定增益不能理想地满足实际应用的需求，可以增加外部电阻网络衰减增益。此类衰减电路与电阻分压网络类似，但最大的不同在于：对于固定增益放大器来说，内部输入阻抗会影响外部电阻网络(图1)。对于差分输入结构，可以简化电路，利用一半的等效电路进行分析(图2)。


图1. MAX98300固定增益音频放大器配置为差分信号输入架构(A)或单端信号输入架构(B)


图2. 差分配置图1A的等效电路(一半)，简化分析。

以下是差分结构(图1A)的电压增益计算公式：

式中，GAIN为放大器固定电压增益，以dB为单位(MAX98300音频差分放大器提供0dB、3dB、6dB、9dB和12dB增益型号。6dB、9dB和12dB增益配置器件的输入阻抗典型值为20kΩ，3dB增益配置器件的输入阻抗典型值为28kΩ，0dB增益配置器件的输入阻抗典型值为40kΩ)。

单端配置下，增益计算公式为：

上述公式假定输入信号频率远远高于C_IN和输入等效阻抗所构成的高通滤波器的截止频率。

MAX98300放大器的固定增益误差典型值在5%以内；内部输入阻抗的绝对误差可达±50%，计算系统增益时必须考虑这一因素的影响。计算增益容差时，应在最差条件下，考虑外部电阻的容差这一因素。外部电阻也必须按照最大误差(即±容差的极端值)代入公式计算增益，得到最差条件下增益：

Worst-Case Tolerance Calculation
Lowest Gain	Single-Ended	Differential	Highest Gain	Single-Ended	Differential
R1a	+Tolerance	+Tolerance	R1a	-Tolerance	-Tolerance
R1b	+Tolerance	+Tolerance	R1b	-Tolerance	-Tolerance
R2	-Tolerance	-Tolerance	R2	+Tolerance	+Tolerance
Ri1	-Tolerance	-Tolerance	Ri1	+Tolerance	+Tolerance
Ri2	+Tolerance	-Tolerance	Ri2	-Tolerance	+Tolerance

为了降低误差，选择相对于Ri而言具有较小阻值的R1。确保考虑输入源V_IN能够驱动等效负载网络。计算最终的系统增益时，注意V_IN的输出阻抗与衰减电路的输入阻抗构成了分压网络。负载(R_IN)由下式计算。

对于差分结构，R_IN = R1 + Ri/(R2/2)。R_IN和C_IN构成高通滤波器，其截止频率F_-3dB为：F_-3dB = 1/(2 × π × R_IN × C_IN)。

对于单端结构，R_IN = R1 + Ri/(R2 + R1/Ri)。衰减网络的输入阻抗(Z_IN)为：

其中，f为输入信号的频率。

对于单端结构，不能直接求出高通滤波器的截止频率，为了得到F_-3dB必须事先知道电阻值。然后，利用公式f = F_-3dB得到：Z_IN(f) = √2 × Z_IN(f = 5000)。

数据表格对于确定合适的电阻阻值和评估系统误差非常有用，考虑到电阻值的离散性，须确保电阻匹配，可下载表格计算MAX98300在单端和差分配置下的增益及其误差。