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差分運放和儀表放大器應用科普貼

—— 模擬小信號前端處理探索
作者:時間:2021-08-17來源:電子產品世界收藏


本文引用地址:http://www.jiaxiaoks.com/article/202108/427626.htm

前言

圍繞如何處理小信號前端這一話題,近期引起了一波討論熱潮。技術型分銷商Excelpoint世健的FAE  Wolfe  Yu就小信號前端、確定測量范圍、抑制噪聲、提高信噪比等問題進行了介紹和分析。

運算放大器結構探秘

部分工程師強調理想運放的增益無窮大,分析運放,首先注意虛斷和虛短,忽略了共模抑制比、失調電壓、偏置電流等一些較為重要的概念。

一、運放輸入模型

按照運放模型,比較全面的梳理出運放的基本模型:就是差模信號和共模信號的疊加。

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二、虛短概念

理想運放要注意虛斷和虛短。運放的同相端輸入和反相端輸入相等。

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理想運放開環增益無窮大,實際略小,大部分在100dB(100000)倍左右,按這個增益,要讓輸出變化3V,同相反相輸入端只需30uV的壓差即可,如果加上紋波、噪聲等干擾信號,同相反相端基本上無變化。引入反饋,做閉環,同相反相端的電壓差忽略不計。

三、差模輸入和共模輸入

在應用中,運放可以輸入差模信號,也可以輸入共模信號,共模信號大部分來自噪聲,最核心的愿景是:共模被抵消,差模被放大。

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四、輸入電壓范圍(Vin或Vcm)

運算放大器輸入范圍比較復雜,理論上來講,同相端和反相端模擬輸入在電源的正軌到負軌之間都能滿足,運放的上下管大致對稱,大部分時間,取運放的共模輸入電壓Vcm為1/2 Vdd。這樣,運放主要工作在線性區。

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五、小信號檢測方法

運算放大器用來做電流小信號采集時,往往會面臨信號該如何采集、是采用高邊電流檢測還是采用低邊電流檢測的問題。

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差分放大器介紹

由于傳感器信號主要是通過施加電壓差做為輸出,信號的差值電壓很小,而且會產生布局布線引起的EMI和共模干擾、溫度漂移等問題。把運放的同相端和反相端當做車廂,只要傳感器信號給定在這中間,相對的干擾就會小很多。傳感器的信號存在壓差,避免運放異常飽和,引入差分放大器。

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基于成本考慮,行業之內,大部分設計還會采用普通運放,基于減法器的模型,搭建一個差動放大器。

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差分放大器的原理就像照鏡子,物理學上的說法稱作鏡像,講究對稱和平衡,只有做到兩邊一模一樣,效果才會最佳。為了這個目的,工程師就需要在模擬前端做阻抗匹配。而由于各點參考源不同,阻抗又有誤差,完全阻抗匹配往往非常困難。下圖是一個經典的差分運放,通過輸出靜默電壓Uoz,用KCL去求解同相輸入和反相輸入阻抗,結果差異很大。

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下面介紹一下確定上圖中各電阻的值的方法:

首先,按照鏡像原理,偏置電流也按照相同的倍數放大,即可求出4個電阻之間的關系;確定R1則需要查運放的幾個限制條件,阻值需滿足:大于瞬時輸出電壓/最大輸出電流、小于輸入失調電壓/輸入偏置電流,還要注意熱噪聲影響等等。

儀表放大器介紹

差分放大器能處理大部分模擬前端,但由于系統輸入阻抗有限,需要加入復雜的匹配電路。當外圍電阻精度和PCB線路阻抗,會產生新的問題。

為了解決差分運放輸入阻抗較低等問題,各大廠家做了很多優化,有的就采用如下圖的雙運放方法來實現儀表放大。

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雙運放有兩個弱點:不支持單位增益、不同頻率的共模抑制比較差。于是眾多廠商采用三運放方法。不少大廠推出的儀表放大器,也都是基于三運放原理來實現的。

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icrochip運放解決方案

儀表放大器 MCP6N16-100

不同于眾多廠商推出的三運放儀表放大器方案,Microchip針對工業客戶應用提出了自己獨特的解決方案——間接電流反饋型儀表放大器,其內部結構如下圖所示:

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間接電流反饋型儀表放大器前級做跨導放大,實現V-I轉換,后級做跨阻放大I-V轉換。

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間接電流反饋型儀表放大器和三運放儀表放大器存在一些差別,主要優勢:

√   在寬Vcm范圍內具有高CMRR(軌到軌)

√   工作區域廣(Vin和Vout)

√   適合低電壓應用

√   無“Hex”圖

√   高阻態Vref輸入

√   更好的增益溫度系數匹配

應用案例——惠斯通橋

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零漂移放大器 MCP6V61

另外,Microchip的零漂移放大器產品,主要針對較低成本應用,主要特點:

高直流精度

-   VOS 漂移: ±15 nV/°C

-   AOL: 125 dB

-   PSRR: 117 dB

-   CMRR: 120 dB

-   (EMIRR) at 1.8 GHz: 101 dB

-   低功耗

-   靜態電流80uA

應用案例——RTD傳感器

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Wolfe表示,Microchip還推出了多款有特色的運放產品,比如低噪聲、高精度、全差分系列的MCP6D11、高邊電流檢測系列MCP6C04等。結合Excelpoint世健的技術支持等服務,可以幫助客戶提供一站式選型平臺,減少工作難度,盡快讓產品上市。

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