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运算放大器之处理小信号前端

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    2022-12-27 15:07
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    [LV.1]初来乍到

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    1#
    发表于 2021-10-12 10:36 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    x
    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。
    + q1 [* ~% v# m; y0 T& l5 e; _8 y, X" A6 D2 T8 W2 q- l& ]/ Z
    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

    3 v6 U. }# M2 h3 s9 Q
    ! T2 ?: O% B. v% a

    * 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。
    ) V, m3 F) G" r' ]9 z2 N0 t( l# W

    ) e: C$ t/ P6 o8 J! S

    $ i. k0 P- W8 s3 e* K; u: [( S4 ]  W7 f) s
    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
    ' n8 x( q# |; b# _# x
    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
    & w4 W& {- p: t1 r$ S5 U  H

    * r  U, Y. a' a- N" B9 q8 W
    3 l4 Q6 j& t+ W

    $ 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
    " R% {1 T- O0 ]# ~- U

    5 a: H# ?# Y7 ?- V& k# @
    - 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
    ; h9 K% O4 c, y5 x+ X# F
    6 l$ j7 o" q7 t4 J- s

    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

    , V: m3 F7 W3 K6 Q9 s6 Z0 E1 S
    * `+ y* }1 L9 Y& u$ Z

    : 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 ~: ?
    ( S2 u: `1 ?( }+ L4 Q
    ; i- J8 F. g! l! ^/ t8 a/ H0 I

      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 }

    $ K* r4 V0 d/ p& @+ ~7 J  k
    0 `- s  `: i" H6 a- c" t

    , 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:
    . m9 {/ F' \, Z( \1 ]" a9 Y( _' P6 k# M/ S2 o! U2 V4 C: m
    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 \
    ; F& l) I1 h9 M* m
    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。
    / E9 u; L& t2 u

    ; a; Y; f0 P$ s3 L

    5 m) H' G( m" T8 h: P; a$ F
    + 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。
    ; E! O# K. V  C# U9 @& y! r  W4 J5 \
    8 \6 h# x, R+ Y2 P) ^

    ; N- V2 v' E9 i4 T" Y8 i5 F7 l( {# I2 _! _; V( @
    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
    ; e1 h3 f2 L# r! F
    3 N7 M" H0 ]8 F5 @% E
    + K# X/ N9 j8 s6 t% v6 y% y
    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。
    , p# f/ N1 e3 M5 u. E3 i

    / B# z& c, S% m) j+ G

    . z+ K8 k4 x2 j+ U5 X1 Z! T. G( @( G- T1 ~
    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:
    ( q4 y1 W: m1 @  ^
    * 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
    . {: x3 K( o) a) w; E  g
    工作区域广(Vin和Vout)
    7 x! m" t, Z/ m/ |
    5 b1 _4 o7 D. P/ M) T5 x适合低电压应用
    : [" d1 D3 S% A( X: `: N  l+ y3 {- ^( x% g& |! b
    无“Hex”图
    9 I6 k- N( e( n* a
    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
    ' x# l# E0 p- N; Y1 e# I0 x0 F9 m
    4 ^  k8 K: G% T0 ], y! H# V应用案例——惠斯通桥
    ( P; G4 f6 _2 q3 _- x4 i

    + m; K" ?/ @; f2 R

    该用户从未签到

    2#
    发表于 2021-10-12 11:24 | 只看该作者
    差分放大器讲究对称和平衡

    该用户从未签到

    3#
    发表于 2021-10-12 14:38 | 只看该作者
    共模信号大部分来自噪声

    该用户从未签到

    4#
    发表于 2021-10-12 14:46 | 只看该作者
    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
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