差分運(yùn)放和儀表放大器應(yīng)用科普貼——模擬小信號前端處理探索
發(fā)布時(shí)間:2021-09-05 來源:Wolfe Yu Excelpoint世健 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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?!妒勒f芯語》專欄的特邀作者小狼在這里就小信號前端、確定測量范圍、抑制噪聲、提高信噪比等問題進(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:就是差模信號和共模信號的疊加。
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,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,大臂不住晃動。
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,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。
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,外面環(huán)境怎樣變化,信號不受影響。差模信號呢,就像人在車廂里來回走動,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、小信號檢測方法
運(yùn)算放大器用來做電流小信號采集時(shí),往往會面臨一個(gè)令人疑惑的問題,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?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,你會感覺很穩(wěn)定,車尾車頭來回走,也會很輕松。
這跟共模干擾比較類似,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,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,只要傳感器信號給定在這中間,相對的干擾就會小很多。由于傳感器的信號存在壓差,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)還會采用普通運(yùn)放,基于減法器的模型,搭建一個(gè)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,否則,就會失真。
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?前級做跨導(dǎo)放大,實(shí)現(xiàn)V-I轉(zhuǎn)換,后級做跨阻放大I-V轉(zhuǎn)換,用下面這張圖來描述,也許會更準(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:
● 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(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,減少工作難度,盡快讓產(chǎn)品上市。
來源:世健
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