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( z& d8 g8 p' ~, Q
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
. H0 P, b+ L9 w6 g( D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。: K q" g, B( r1 n, p$ z" f' z
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* W3 F3 `4 v4 @( U' V二、虚短概念
% `; ~9 B2 h- R7 c7 z. L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。
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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。0 O, S2 g" h# m2 ^+ ~' Y1 x
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三、差模输入和共模输入7 z& R' h0 m5 K* V3 y) ]$ A
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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$ d) o G0 L' D4 ]' {* Z四、输入电压范围(Vin或Vcm)1 V4 H. }. ~" m9 i3 f: \
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。7 m/ j, D$ \) e! q7 [* W3 v+ r
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- M L1 ~' c+ o" Y6 J8 \; l五、小信号检测方法
* D- f* p6 G3 l: f- A5 p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 H2 v" _0 o. Y; q+ x
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9 x) P5 {5 b& Y* s# G差分放大器介绍
( _ y# z1 T+ S: x2 C3 k- k& p! \" W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。8 p+ z' ^' J* j0 l' z
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: M! D. O/ S" C/ P5 J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。6 @( x3 B. t+ ^: e2 F, i4 ~: ?
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b- Q8 P1 N( ^7 O I, a$ e6 {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。8 F! C$ a- Q, i8 Z1 K8 }
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, k) y$ }9 u2 w2 x下面介绍一下确定上图中各电阻的值的方法：
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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。* B$ S6 D1 X1 \
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仪表放大器介绍 C" ]: J5 A$ T+ V; I3 f
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。 s$ B" G8 r- Y$ s! J) N: l
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。
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+ X( s6 K7 n( k/ }7 \7 X& P0 T* V3 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。
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microchip运放解决方案* c6 o3 d- h& _! r
仪表放大器 MCP6N16-100
: C1 S F0 F. e5 Q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：( t. C9 z! I: ?- p5 v* F7 c
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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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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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* t _! `3 |: a3 j u. Q! b; ]8 O$ [, ]在宽Vcm范围内具有高CMRR（轨到轨）) f5 e* G! ?5 Q T, T
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工作区域广（Vin和Vout）
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5 b1 _4 o7 D. P/ M) T5 x适合低电压应用
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无“Hex”图
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5 e& C: S. y9 h4 `; G+ r R高阻态Vref输入; D; P3 X4 r4 _1 s) M
+ {8 }% ^# V# w$ I, m" ^更好的增益温度系数匹配
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4 ^ k8 K: G% T0 ], y! H# V应用案例——惠斯通桥
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发表于 2021-10-12 10:36
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