運算放大器結構探秘

 

大學模擬電子課上，老師反複強調：理想運放的增益無窮大，分析運放，首先注意虛斷和虛短，我們都堅決貫徹老師的說教
，然而忽略了其他一些比較重要的概念：比如共模抑製比、失調電壓、偏置電流等。

 

一、運放輸入模型

 

按照運放模型，比較全麵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

 

上學時，老師一直強調，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
，這是怎麼一回事呢？

 

 

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，同相反相輸入端隻需30uV的壓差即可

，如果加上紋波
、噪聲等幹擾信號
，同相反相端基本上無變化。
 

於是又引入反饋，做閉環，同相反相端的電壓差忽略不計。如同撐杠杆，小臂微微一動，大臂不住晃動。

 

 

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，最核心的願景是：共模被抵消，差模被放大。

 

 

舉(ju)個(ge)例(li)子(zi)，有(you)人(ren)在(zai)高(gao)鐵(tie)車(che)廂(xiang)內(nei)做(zuo)過(guo)一(yi)個(ge)實(shi)驗(yan)，豎(shu)著(zhe)擺(bai)放(fang)一(yi)排(pai)硬(ying)幣(bi)，不(bu)管(guan)車(che)速(su)多(duo)快(kuai)，硬(ying)幣(bi)都(dou)立(li)得(de)很(hen)穩(wen)。這(zhe)好(hao)比(bi)共(gong)模(mo)信(xin)號(hao)，外(wai)麵(mian)環(huan)境(jing)怎(zen)樣(yang)變(bian)化(hua)，信(xin)號(hao)不(bu)受(shou)影(ying)響(xiang)。差(cha)模(mo)信(xin)號(hao)呢(ne)，就(jiu)像(xiang)人(ren)在(zai)車(che)廂(xiang)裏(li)來(lai)回(hui)走(zou)動(dong)，隻(zhi)要(yao)正(zheng)常(chang)範(fan)圍(wei)內(nei)，都(dou)不(bu)受(shou)到(dao)外(wai)界(jie)的(de)幹(gan)擾(rao)。

 

 

四、輸入電壓範圍(Vin或Vcm)

 

yunsuanfangdaqishurufanweibijiaofuza
，lilunshanglaijiang，tongxiangduanhefanxiangduanmonishuruzaidianyuandezhengguidaofuguizhijiandounengmanzu，yunfangdeshangxiaguandazhiduicheng，dabufenshijian，quyunfangdegongmoshurudianyaVcm為1/2 Vdd。這樣，運放主要工作在線性區。

 

 

五、小信號檢測方法

 

運yun算suan放fang大da器qi用yong來lai做zuo電dian流liu小xiao信xin號hao采cai集ji時shi，往wang往wang會hui麵mian臨lin一yi個ge令ling人ren疑yi惑huo的de問wen題ti，信xin號hao該gai如ru何he采cai集ji
？是shi采cai用yong高gao邊bian電dian流liu檢jian測ce還hai是shi采cai用yong低di邊bian電dian流liu檢jian測ce？部bu分fen的de意yi見jian采cai低di邊bian，部bu分fen人ren的de意yi見jian是shi采cai高gao邊bian，大da家jia各ge抒shu己ji見jian
，莫mo衷zhong一yi是shi。

 

 

舞台看戲

，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，修樓費工時
、造價不便宜！

 

 

差分放大器介紹

 

一(yi)個(ge)不(bu)太(tai)形(xing)象(xiang)的(de)比(bi)喻(yu)
，你(ni)在(zai)崎(qi)嶇(qu)的(de)山(shan)路(lu)上(shang)，提(ti)著(zhe)滿(man)滿(man)的(de)行(xing)李(li)，追(zhui)趕(gan)一(yi)輛(liang)高(gao)速(su)運(yun)行(xing)的(de)火(huo)車(che)，你(ni)需(xu)要(yao)跑(pao)到(dao)車(che)頭(tou)找(zhao)到(dao)你(ni)的(de)座(zuo)位(wei)，你(ni)會(hui)覺(jiao)得(de)非(fei)常(chang)吃(chi)力(li)
，大(da)概(gai)率(lv)你(ni)還(hai)追(zhui)不(bu)上(shang)；如果你已經上車了，站在車上
，你會感覺很穩定，車尾車頭來回走，也會很輕鬆。

 

 

這跟共模幹擾比較類似，由於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，由於布局布線引起的EMI和共模幹擾
、溫度漂移、dengdeng。bachuanganqibiyuzuoxiedaixinglidelvke

，bayunfangdetongxiangduanhefanxiangduandangzuochexiang，zhiyaochuanganqixinhaogeidingzaizhezhongjian
，xiangduideganraojiuhuixiaohenduo。youyuchuanganqidexinhaocunzaiyacha，bimianyunfangyichangbaohe，yinruchafenfangdaqi。

 

 

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

 

 

差(cha)分(fen)放(fang)大(da)器(qi)的(de)原(yuan)理(li)就(jiu)像(xiang)照(zhao)鏡(jing)子(zi)，物(wu)理(li)學(xue)上(shang)的(de)說(shuo)法(fa)稱(cheng)作(zuo)鏡(jing)像(xiang)，講(jiang)究(jiu)對(dui)稱(cheng)和(he)平(ping)衡(heng)

，隻(zhi)有(you)做(zuo)到(dao)兩(liang)邊(bian)一(yi)模(mo)一(yi)樣(yang)，效(xiao)果(guo)才(cai)會(hui)最(zui)佳(jia)，否(fou)則(ze)

，就(jiu)會(hui)失(shi)真(zhen)。

 

 

為(wei)了(le)做(zuo)到(dao)鏡(jing)像(xiang)效(xiao)果(guo)，需(xu)要(yao)在(zai)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)做(zuo)阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)，由(you)於(yu)各(ge)點(dian)參(can)考(kao)源(yuan)不(bu)同(tong)

，阻(zu)抗(kang)又(you)有(you)誤(wu)差(cha)
，完(wan)全(quan)阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)，下(xia)圖(tu)是(shi)一(yi)個(ge)經(jing)典(dian)的(de)差(cha)分(fen)運(yun)放(fang)
，通(tong)過(guo)輸(shu)出(chu)靜(jing)默(mo)電(dian)壓(ya)Uoz，用KCL去求解同相輸入和反相輸入阻抗，結果差異很大。

 

 

有人會問，如何確定上麵各電阻的值？正常來說，按照鏡像原理，偏置電流一樣，放大倍數相當
，可以很容易求出4個電阻之間的關係，如何確定R1，會略微麻煩點，需要查運放的幾個限製條件，阻值需滿足：大於瞬時輸出電壓/最大輸出電流、小於輸入失調電壓/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，但是
，由於係統輸入阻抗有限，需要加入複雜的匹配電路，然而，外圍電阻精度和PCB線路阻抗，又會產生新的問題。

 

為了解決差分運放輸入阻抗較低等問題，各大廠家又做了很多優化，有人采用如圖的雙運放方法來實現儀表放大。

 

 

雙運放有兩個弱點：不支持單位增益、不(bu)同(tong)頻(pin)率(lv)的(de)共(gong)模(mo)抑(yi)製(zhi)比(bi)較(jiao)差(cha)。於(yu)是(shi)眾(zhong)多(duo)廠(chang)商(shang)引(yin)入(ru)另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)案(an)，采(cai)用(yong)三(san)運(yun)放(fang)方(fang)法(fa)，不(bu)少(shao)大(da)廠(chang)推(tui)出(chu)的(de)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)
，都(dou)是(shi)基(ji)於(yu)三(san)運(yun)放(fang)原(yuan)理(li)來(lai)實(shi)現(xian)的(de)。

 

 

Microchip運放解決方案

 

儀表放大器 MCP6N16-100

 

針對工業客戶應用，Microchip提出自己獨特的解決方案
，與眾多廠商推出三運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部結構如下圖所示。

 

 

間接電流反饋型儀表放大器是怎麼工作的呢？前級做跨導放大，實現V-I轉換，後級做跨阻放大I-V轉換，用下麵這張圖來描述
，也許會更準確一些。

 

 

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範圍內具有高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

●     更好的增益溫度係數匹配 

 

應用案例——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

 

 

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、全差分係列的MCP6D11、高邊電流檢測係列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台，減少工作難度，盡快讓產品上市。

 

來源：世健

 

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