如何处理小信号前端 仪表放大器介绍和分析

如何处理小信号前端 仪表放大器介绍和分析

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

上学时，老师一直强调，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，这是怎么一回事呢？

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。

于是又引入反馈，做闭环，同相反相端的电压差忽略不计。如同撑杠杆，小臂微微一动，大臂不住晃动。

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。

举个例子，有人在高铁车厢内做过一个实验，竖着摆放一排硬币，不管车速多快，硬币都立得很稳。这好比共模信号，外面环境怎样变化，信号不受影响。差模信号呢，就像人在车厢里来回走动，只要正常范围内，都不受到外界的干扰。

四、输入电压范围（Vin或Vcm）

运算放大器用来做电流小信号采集时，往往会面临一个令人疑惑的问题，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？部分的意见采低边，部分人的意见是采高边，大家各抒己见，莫衷一是。

舞台看戏，下层的演员多，而且间杂观众，很容易被遮挡，被观众淹没；楼上的明显好得多，容易被分辨，楼层越高，成本也更高，修楼费工时、造价不便宜！

一个不太形象的比喻，你在崎岖的山路上，提着满满的行李，追赶一辆高速运行的火车，你需要跑到车头找到你的座位，你会觉得非常吃力，大概率你还追不上；如果你已经上车了，站在车上，你会感觉很稳定，车尾车头来回走，也会很轻松。

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，否则，就会失真。

为了做到镜像效果，需要在模拟前端做阻抗匹配，由于各点参考源不同，阻抗又有误差，完全阻抗匹配非常困难，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。

有人会问，如何确定上面各电阻的值？正常来说，按照镜像原理，偏置电流一样，放大倍数相当，可以很容易求出4个电阻之间的关系，如何确定R1，会略微麻烦点，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。

为了解决差分运放输入阻抗较低等问题，各大厂家又做了很多优化，有人采用如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。于是众多厂商引入另一种方案，采用三运放方法，不少大厂推出的仪表放大器，都是基于三运放原理来实现的。

仪表放大器 MCP6N16-100

针对工业客户应用，Microchip提出自己独特的解决方案，与众多厂商推出三运放仪表放大器方案不同，Microchip推出间接电流反馈型仪表放大器，间接电流反馈型仪表放大器内部结构如下图所示。

间接电流反馈型仪表放大器是怎么工作的呢？前级做跨导放大，实现V-I转换，后级做跨阻放大I-V转换，用下面这张图来描述，也许会更准确一些。

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

零漂移放大器 MCP6V61

另外，Microchip的零漂移放大器产品，主要针对较低成本应用，主要特点：

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

- 静态电流80uA

应用案例——RTD传感器