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)

 

運yun算suan放fang大da器qi輸shu入ru範fan圍wei比bi較jiao複fu雜za，理li論lun上shang來lai講jiang，同tong相xiang端duan和he反fan相xiang端duan模mo擬ni輸shu入ru在zai電dian源yuan的de正zheng軌gui到dao負fu軌gui之zhi間jian都dou能neng滿man足zu
，運yun放fang的de上shang下xia管guan大da致zhi對dui稱cheng
，大da部bu分fen時shi間jian，取qu運yun放fang的de共gong模mo輸shu入ru電dian壓yaVcm為1/2 Vdd。這樣，運放主要工作在線性區。

 

 

五、小信號檢測方法

 

yunsuanfangdaqiyonglaizuodianliuxiaoxinhaocaijishi，wangwanghuimianlinyigelingrenyihuodewenti，xinhaogairuhecaiji？shicaiyonggaobiandianliujiancehaishicaiyongdibiandianliujiance？bufendeyijiancaidibian，bufenrendeyijianshicaigaobian，dajiageshujijian，mozhongyishi。

 

 

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

 

yigebutaixingxiangdebiyu，nizaiqiqudeshanlushang
，tizhemanmandexingli，zhuiganyilianggaosuyunxingdehuoche
，nixuyaopaodaochetouzhaodaonidezuowei，nihuijiaodefeichangchili

，dagailvnihaizhuibushang
；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

、等deng等deng。把ba傳chuan感gan器qi比bi喻yu做zuo攜xie帶dai行xing李li的de旅lv客ke，把ba運yun放fang的de同tong相xiang端duan和he反fan相xiang端duan當dang做zuo車che廂xiang
，隻zhi要yao傳chuan感gan器qi信xin號hao給gei定ding在zai這zhe中zhong間jian
，相xiang對dui的de幹gan擾rao就jiu會hui小xiao很hen多duo。由you於yu傳chuan感gan器qi的de信xin號hao存cun在zai壓ya差cha
，避bi免mian運yun放fang異yi常chang飽bao和he，引yin入ru差cha分fen放fang大da器qi。

 

 

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。

 

 

chafenfangdaqideyuanlijiuxiangzhaojingzi

，wulixueshangdeshuofachengzuojingxiang
，jiangjiuduichenghepingheng，zhiyouzuodaoliangbianyimoyiyang，xiaoguocaihuizuijia，fouze
，jiuhuishizhen。

 

 

weilezuodaojingxiangxiaoguo，xuyaozaimoniqianduanzuozukangpipei，youyugediancankaoyuanbutong，zukangyouyouwucha，wanquanzukangpipeifeichangkunnan
，xiatushiyigejingdiandechafenyunfang，tongguoshuchujingmodianyaUoz
，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
、butongpinlvdegongmoyizhibijiaocha。yushizhongduochangshangyinrulingyizhongfangan，caiyongsanyunfangfangfa，bushaodachangtuichudeyibiaofangdaqi
，doushijiyusanyunfangyuanlilaishixiande。

 

 

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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