运算放大器之处理小信号前端

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运算放大器结构探秘 ) I0 ^  F' `; [6 G) D( U/ i4 k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。 ( P" V: T8 ]! b( k! I& u 一、运放输入模型 # J% z; H% L: [+ X) s+ r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。 ' {* y3 x' }9 `: V" ` + f# l& @' L) F6 ?2 f# t* O二、虚短概念 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。 4 W& U) c  `9 n; Z1 ]& o 3 v2 b% O8 B7 z; }/ L/ X* ~$ {" t ! T+ [9 K) I( @% A3 b6 C% M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。 5 g/ X3 m, k9 D8 e! T0 j* H3 _三、差模输入和共模输入 $ r* W" D0 h: |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。 四、输入电压范围(Vin或Vcm) ( u) B/ }2 }) W, j3 ?/ s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。 " G, B3 ]9 ^2 c  ? : o1 D4 X# T: ?. p 五、小信号检测方法 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。 ! _0 O+ ^6 R% X/ u' L" J* j 差分放大器介绍   R3 A' f) Z# r. h5 ?) s, z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。 ; C7 s) W0 T- u8 I9 v# n) c 2 h$ Z1 L6 E. X; F 5 h& j( H% g5 d  r4 E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。 4 I1 }% s3 o  z! V; L$ s 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。 ) O2 g5 ~( K' |9 Y 8 Q: y! L2 v8 n3 R' v下面介绍一下确定上图中各电阻的值的方法：   c( G3 u' l2 v/ e& _6 b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。 仪表放大器介绍 9 f1 _- |2 i7 ?- @, [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。 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。 / Q/ c) _5 `0 {3 U 2 f3 y5 b0 I2 \- y# a0 u( M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。 ; c9 h0 ]  J: J  ?   ?0 y+ Y2 j" T# h4 V% P) F+ lmicrochip运放解决方案 仪表放大器 MCP6N16-100 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： " P5 `( R  z2 f6 H* V 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。 : j' B/ P$ m  u- p 6 ]1 S: d) {0 n1 | 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： 7 F3 W" {: A# m9 X5 q0 ^0 p5 p 6 |4 r. M$ e, T- `9 e/ V在宽Vcm范围内具有高CMRR（轨到轨） * W, X) v( v: X; N* B # q2 O* M  B3 ]0 u, H$ t3 _工作区域广（Vin和Vout） 1 ^/ f' R5 Z. H% N " ~% f4 _4 b+ p5 q  Z3 Z& @0 k+ Z适合低电压应用 . N& e. R  C+ q- N 无“Hex”图 * U4 N* d8 ?& H" u5 ]9 V, K 高阻态Vref输入 3 Z8 l$ c5 {5 j/ ]  A5 }/ J更好的增益温度系数匹配 应用案例——惠斯通桥 , n/ J2 `# O' D; H, ^4 R# z3 @# [

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差分放大器讲究对称和平衡

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共模信号大部分来自噪声

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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