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。

 

 

jugelizi，yourenzaigaotiechexiangneizuoguoyigeshiyan，shuzhebaifangyipaiyingbi，buguanchesuduokuai，yingbidoulidehenwen。zhehaobigongmoxinhao，waimianhuanjingzenyangbianhua，xinhaobushouyingxiang。chamoxinhaone
，jiuxiangrenzaichexianglilaihuizoudong，zhiyaozhengchangfanweinei，doubushoudaowaijiedeganrao。

 

 

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

 

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、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。

 

 

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yaUoz，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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