TA的每日心情 | 开心
2022-12-27 15:07 |
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运算放大器结构探秘
3 m1 U) X3 b/ V. i$ {部分工程师强调理想运放的增益无穷大，分析运放，首先注意虚断和虚短，忽略了共模抑制比、失调电压、偏置电流等一些较为重要的概念。
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一、运放输入模型/ a6 k* n' d; y8 |8 {- \( `, o+ f
按照运放模型，比较全面的梳理出运放的基本模型：就是差模信号和共模信号的叠加。/ S: B: ~- d2 F; G8 k' Q$ |& i
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二、虚短概念
+ e0 g) {: @6 e' z9 W+ r6 U g, D& t Q理想运放要注意虚断和虚短。运放的同相端输入和反相端输入相等。2 X' I/ T# m2 C. {" f( l& h
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理想运放开环增益无穷大，实际略小，大部分在100dB(100000)倍左右，按这个增益，要让输出变化3V，同相反相输入端只需30UV的压差即可，如果加上纹波、噪声等干扰信号，同相反相端基本上无变化。引入反馈，做闭环，同相反相端的电压差忽略不计。
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三、差模输入和共模输入9 F' r8 {, d- C7 v: f" [" ]
在应用中，运放可以输入差模信号，也可以输入共模信号，共模信号大部分来自噪声，最核心的愿景是：共模被抵消，差模被放大。
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四、输入电压范围(Vin或Vcm)
& G t- n9 D% H) E. q0 r" |运算放大器输入范围比较复杂，理论上来讲，同相端和反相端模拟输入在电源的正轨到负轨之间都能满足，运放的上下管大致对称，大部分时间，取运放的共模输入电压Vcm为1/2 Vdd。这样，运放主要工作在线性区。6 L X( W; g; s: x; T: |( l
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五、小信号检测方法
! ~; p2 }5 r( E: D, {运算放大器用来做电流小信号采集时，往往会面临信号该如何采集、是采用高边电流检测还是采用低边电流检测的问题。
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差分放大器介绍
9 T! J+ ]9 l7 C9 P* o- Z) U- v由于传感器信号主要是通过施加电压差做为输出，信号的差值电压很小，而且会产生布局布线引起的EMI和共模干扰、温度漂移等问题。把运放的同相端和反相端当做车厢，只要传感器信号给定在这中间，相对的干扰就会小很多。传感器的信号存在压差，避免运放异常饱和，引入差分放大器。
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基于成本考虑，行业之内，大部分设计还会采用普通运放，基于减法器的模型，搭建一个差动放大器。$ [7 f% }4 b# P: W. B" z4 t
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: ]' M9 m3 l4 p2 p$ N' w2 p, P差分放大器的原理就像照镜子，物理学上的说法称作镜像，讲究对称和平衡，只有做到两边一模一样，效果才会最佳。为了这个目的，工程师就需要在模拟前端做阻抗匹配。而由于各点参考源不同，阻抗又有误差，完全阻抗匹配往往非常困难。下图是一个经典的差分运放，通过输出静默电压Uoz，用KCL去求解同相输入和反相输入阻抗，结果差异很大。
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3 y. ?; d0 e- g' Y下面介绍一下确定上图中各电阻的值的方法：! z# [9 l8 \9 L o6 U( y
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首先，按照镜像原理，偏置电流也按照相同的倍数放大，即可求出4个电阻之间的关系；确定R1则需要查运放的几个限制条件，阻值需满足：大于瞬时输出电压/最大输出电流、小于输入失调电压/输入偏置电流，还要注意热噪声影响等等。 W0 T4 [" O e4 N6 W; T& G. W
* x8 [4 Q% Y% S7 C. S; ]仪表放大器介绍
) m. ?: W$ F6 U: x8 P差分放大器能处理大部分模拟前端，但由于系统输入阻抗有限，需要加入复杂的匹配电路。当外围电阻精度和PCB线路阻抗，会产生新的问题。( p7 [( x7 o3 N- G. C/ A1 B9 w
为了解决差分运放输入阻抗较低等问题，各大厂家做了很多优化，有的就采用如下图的双运放方法来实现仪表放大。* z$ Q( x+ ~ h7 Z% D
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双运放有两个弱点：不支持单位增益、不同频率的共模抑制比较差。于是众多厂商采用三运放方法。不少大厂推出的仪表放大器，也都是基于三运放原理来实现的。) o/ n% J3 B6 Q
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microchip运放解决方案
7 O. ~% f6 @& U" V仪表放大器 MCP6N16-100
7 t: T3 @9 _7 E% p% a不同于众多厂商推出的三运放仪表放大器方案，microchip针对工业客户应用提出了自己独特的解决方案——间接电流反馈型仪表放大器，其内部结构如下图所示：. G5 e/ B) }9 z0 ]& Y1 T1 m$ |* d
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间接电流反馈型仪表放大器前级做跨导放大，实现V-I转换，后级做跨阻放大I-V转换。
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' \ ~; E0 ~" j0 v间接电流反馈型仪表放大器和三运放仪表放大器存在一些差别，主要优势：
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在宽Vcm范围内具有高CMRR（轨到轨）% M4 m, L. n/ f+ T0 T! a
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工作区域广（Vin和Vout）3 s0 ~: F8 V* ^. J/ M
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适合低电压应用8 A6 w4 l, k+ y
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无“Hex”图3 h8 F) i. f5 u
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高阻态Vref输入
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' z8 m0 E# H* v8 Q6 k' H- n更好的增益温度系数匹配" t* |# ?' i( H0 m% ~
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应用案例——惠斯通桥
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发表于 2021-10-12 10:36
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