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, K+ H1 I. i$ m" u! {
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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\& }. u" G* ]0 S/ \5 @一、运放输入模型
: P, a1 n6 {2 n' r2 K( V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。2 M" U; x* P! ^: {; `' o5 y2 h2 [
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& f$ Y0 _7 c, i% \: _二、虚短概念
- [# l" D2 Z/ K3 P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。' c( l; E/ }+ h+ T( ~. r4 r' G" G
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0 p9 X7 r' M# d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
l1 U2 J+ i/ X6 G$ s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。+ {) z' I* u9 @6 l
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四、输入电压范围(Vin或Vcm)% R* M+ V+ P. _% u( ]
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。
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五、小信号检测方法+ @4 h' ~) r9 j) X: f/ z, }
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。$ R* a& r/ f( v1 ]$ V( [
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差分放大器介绍7 Y+ ^! I0 {0 D2 u. p
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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: L/ A0 A; [; S9 r* j- O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 P, H* D! O! E( Y
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( w4 a [4 b6 ]9 q' Z& W/ G+ O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。# V4 B2 P _6 ^) ^2 C7 t
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. D8 C1 ]; {. ]- H1 e' g下面介绍一下确定上图中各电阻的值的方法：$ {: Y6 k& p' p& S9 |& L' x5 E
4 l- b9 u: n# ?( M/ o, O0 z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。
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8 Z8 H/ R! ^, b' r3 D. ^+ k7 [仪表放大器介绍
/ }; S. C! V% C$ P/ t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。
5 ^9 V7 P7 i: @) e+ h- j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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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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/ L+ q* E* v; Umicrochip运放解决方案
F$ F& s% d1 g9 Y+ Z$ P仪表放大器 MCP6N16-100
: s, p- U0 {1 x* Y ^1 W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：8 l+ F) R2 G9 w
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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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0 {. X& l* J4 ^7 B( Y/ ~% o在宽Vcm范围内具有高CMRR（轨到轨）
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工作区域广（Vin和Vout）9 |- }5 }% s2 ^& w
X1 i2 n7 N& i3 v8 W适合低电压应用4 ~- @3 S8 l8 u+ c
- E, ~+ ? D9 M* D无“Hex”图* k$ i4 ` S0 x# Z6 I. M6 Q
* u, m" A: q" U. j5 V* x高阻态Vref输入
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更好的增益温度系数匹配
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2 |/ }, C, P+ U4 b! k应用案例——惠斯通桥/ ]" P3 P* | t/ j- q3 R! q( Z
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发表于 2021-10-12 10:36
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