【世說芯語】差分運(yùn)放和儀表放大器應(yīng)用科普貼——模擬小信號(hào)前端處理探索

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圍繞如何處理小信號(hào)前端這一話題，近期引起了一波討論熱潮?！妒勒f芯語》專欄的特邀作者小狼在這里就小信號(hào)前端、確定測量范圍、抑制噪聲、提高信噪比等問題進(jìn)行了介紹和分析。

運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)探秘

大學(xué)模擬電子課上，老師反復(fù)強(qiáng)調(diào)：理想運(yùn)放的增益無窮大，分析運(yùn)放，首先注意虛斷和虛短，我們都堅(jiān)決貫徹老師的說教，然而忽略了其他一些比較重要的概念：比如共模抑制比、失調(diào)電壓、偏置電流等。

一、運(yùn)放輸入模型

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

二、虛短概念

上學(xué)時(shí)，老師一直強(qiáng)調(diào)，理想運(yùn)放要注意虛斷和虛短。運(yùn)放的同相端輸入和反相端輸入相等，這是怎么一回事呢？

理想運(yùn)放開環(huán)增益無窮大，實(shí)際略小，大部分在100dB(100000)倍左右，按這個(gè)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(hào)，同相反相端基本上無變化。

于是又引入反饋，做閉環(huán)，同相反相端的電壓差忽略不計(jì)。如同撐杠桿，小臂微微一動(dòng)，大臂不住晃動(dòng)。

三、差模輸入和共模輸入

在應(yīng)用中，運(yùn)放可以輸入差模信號(hào)，也可以輸入共模信號(hào)，共模信號(hào)大部分來自噪聲，最核心的愿景是：共模被抵消，差模被放大。

舉個(gè)例子，有人在高鐵車廂內(nèi)做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，豎著擺放一排硬幣，不管車速多快，硬幣都立得很穩(wěn)。這好比共模信號(hào)，外面環(huán)境怎樣變化，信號(hào)不受影響。差模信號(hào)呢，就像人在車廂里來回走動(dòng)，只要正常范圍內(nèi)，都不受到外界的干擾。

四、輸入電壓范圍(Vin或Vcm)

運(yùn)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(fù)軌之間都能滿足，運(yùn)放的上下管大致對(duì)稱，大部分時(shí)間，取運(yùn)放的共模輸入電壓Vcm為1/2 Vdd。這樣，運(yùn)放主要工作在線性區(qū)。

五、小信號(hào)檢測方法

運(yùn)算放大器用來做電流小信號(hào)采集時(shí)，往往會(huì)面臨一個(gè)令人疑惑的問題，信號(hào)該如何采集？是采用高邊電流檢測還是采用低邊電流檢測？部分的意見采低邊，部分人的意見是采高邊，大家各抒己見，莫衷一是。

舞臺(tái)看戲，下層的演員多，而且間雜觀眾，很容易被遮擋，被觀眾淹沒；樓上的明顯好得多，容易被分辨，樓層越高，成本也更高，修樓費(fèi)工時(shí)、造價(jià)不便宜！

差分放大器介紹

一個(gè)不太形象的比喻，你在崎嶇的山路上，提著滿滿的行李，追趕一輛高速運(yùn)行的火車，你需要跑到車頭找到你的座位，你會(huì)覺得非常吃力，大概率你還追不上；如果你已經(jīng)上車了，站在車上，你會(huì)感覺很穩(wěn)定，車尾車頭來回走，也會(huì)很輕松。

這跟共模干擾比較類似，由于傳感器信號(hào)主要是通過施加電壓差做為輸出，信號(hào)的差值電壓很小，而且，由于布局布線引起的EMI和共模干擾、溫度漂移、等等。把傳感器比喻做攜帶行李的旅客，把運(yùn)放的同相端和反相端當(dāng)做車廂，只要傳感器信號(hào)給定在這中間，相對(duì)的干擾就會(huì)小很多。由于傳感器的信號(hào)存在壓差，避免運(yùn)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(jì)還會(huì)采用普通運(yùn)放，基于減法器的模型，搭建一個(gè)差動(dòng)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(duì)稱和平衡，只有做到兩邊一模一樣，效果才會(huì)最佳，否則，就會(huì)失真。

為了做到鏡像效果，需要在模擬前端做阻抗匹配，由于各點(diǎn)參考源不同，阻抗又有誤差，完全阻抗匹配非常困難，下圖是一個(gè)經(jīng)典的差分運(yùn)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。

有人會(huì)問，如何確定上面各電阻的值？正常來說，按照鏡像原理，偏置電流一樣，放大倍數(shù)相當(dāng)，可以很容易求出4個(gè)電阻之間的關(guān)系，如何確定R1，會(huì)略微麻煩點(diǎn)，需要查運(yùn)放的幾個(gè)限制條件，阻值需滿足：大于瞬時(shí)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，但是，由于系統(tǒng)輸入阻抗有限，需要加入復(fù)雜的匹配電路，然而，外圍電阻精度和PCB線路阻抗，又會(huì)產(chǎn)生新的問題。

為了解決差分運(yùn)放輸入阻抗較低等問題，各大廠家又做了很多優(yōu)化，有人采用如圖的雙運(yùn)放方法來實(shí)現(xiàn)儀表放大。

雙運(yùn)放有兩個(gè)弱點(diǎn)：不支持單位增益、不同頻率的共模抑制比較差。于是眾多廠商引入另一種方案，采用三運(yùn)放方法，不少大廠推出的儀表放大器，都是基于三運(yùn)放原理來實(shí)現(xiàn)的。

Microchip運(yùn)放解決方案

儀表放大器 MCP6N16-100

針對(duì)工業(yè)客戶應(yīng)用，Microchip提出自己獨(dú)特的解決方案，與眾多廠商推出三運(yùn)放儀表放大器方案不同，Microchip推出間接電流反饋型儀表放大器，間接電流反饋型儀表放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。

間接電流反饋型儀表放大器是怎么工作的呢？前級(jí)做跨導(dǎo)放大，實(shí)現(xiàn)V-I轉(zhuǎn)換，后級(jí)做跨阻放大I-V轉(zhuǎn)換，用下面這張圖來描述，也許會(huì)更準(zhǔn)確一些。

間接電流反饋型儀表放大器和三運(yùn)放儀表放大器存在一些差別，主要優(yōu)勢(shì)：

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(duì)較低成本應(yīng)用，主要特點(diǎn)：

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(yùn)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(tái)，減少工作難度，盡快讓產(chǎn)品上市。

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