差分運放和儀表放大器應(yīng)用科普貼——模擬小信號前端處理探索

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(shù)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(jié)構(gòu)探秘

部分工程師強調(diào)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(diào)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。

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。

理想運放開環(huán)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(huán)，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(yīng)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。

四、輸入電壓范圍(Vin或Vcm)

運算放大器輸入范圍比較復(fù)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(qū)。

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。

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(chǎn)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(dāng)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。

基于成本考慮，行業(yè)之內(nèi)，大部分設(shè)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。

差分放大器的原理就像照鏡子，物理學(xué)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(jīng)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(jié)果差異很大。

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(shù)放大，即可求出4個電阻之間的關(guān)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(diào)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(tǒng)輸入阻抗有限，需要加入復(fù)雜的匹配電路。當(dāng)外圍電阻精度和PCB線路阻抗，會產(chǎn)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(yōu)化，有的就采用如下圖的雙運放方法來實現(xiàn)儀表放大。

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(xiàn)的。

Microchip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(yè)客戶應(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

間接電流反饋型儀表放大器前級做跨導(dǎo)放大，實現(xiàn)V-I轉(zhuǎn)換，后級做跨阻放大I-V轉(zhuǎn)換。

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(yōu)勢：

在寬Vcm范圍內(nèi)具有高CMRR(軌到軌)

工作區(qū)域廣(Vin和Vout)

適合低電壓應(yīng)用

無“Hex”圖

高阻態(tài)Vref輸入

更好的增益溫度系數(shù)匹配

應(yīng)用案例——惠斯通橋

零漂移放大器 MCP6V61

另外，Microchip的零漂移放大器產(chǎn)品，主要針對較低成本應(yīng)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(tài)電流80uA

應(yīng)用案例——RTD傳感器

Wolfe表示，Microchip還推出了多款有特色的運放產(chǎn)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(jié)合Excelpoint世健的技術(shù)支持等服務(wù)，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(chǎn)品上市。