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运算放大器结构探秘——如何处理小信号前端

2021-8-25 07:00:00  1039 运算放大器 差模信号 共模信号
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运算放大器结构探秘
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。

一、运放输入模型
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。



二、虚短概念
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。



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。

三、差模输入和共模输入
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



四、输入电压范围(Vin或Vcm)
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。



五、小信号检测方法
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。



差分放大器介绍
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。



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。



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。



下面介绍一下确定上图中各电阻的值的方法:

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。

仪表放大器介绍
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。
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。



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。



microchip运放解决方案
仪表放大器 MCP6N16-100

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:



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。



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:

在宽Vcm范围内具有高CMRR(轨到轨)

工作区域广(Vin和Vout)

适合低电压应用

无“Hex”图

高阻态Vref输入

更好的增益温度系数匹配

应用案例——惠斯通桥



王栋春 2021-8-25 12:54:40
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