【世说芯语】差分运放和仪表放大器应用科普贴——模拟小信号前端处理探索

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围绕如何处理小信号前端这一话题，近期引起了一波讨论热潮。《世说芯语》专栏的特邀作者小狼在这里就小信号前端、确定测量范围、抑制噪声、提高信噪比等问题进行了介绍和分析。

运算放大器结构探秘

大学模拟电子课上，老师反复强调：理想运放的增益无穷大，分析运放，首先注意虚断和虚短，我们都坚决贯彻老师的说教，然而忽略了其他一些比较重要的概念：比如共模抑制比、失调电压、偏置电流等。

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)

运算放大器输入范围比较复杂，理论上来讲，同相端和反相端模拟输入在电源的正轨到负轨之间都能满足，运放的上下管大致对称，大部分时间，取运放的共模输入电压Vcm为1/2 Vdd。这样，运放主要工作在线性区。

五、小信号检测方法

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！

差分放大器介绍

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。

这跟共模干扰比较类似，由于传感器信号主要是通过施加电压差做为输出，信号的差值电压很小，而且，由于布局布线引起的EMI和共模干扰、温度漂移、等等。把传感器比喻做携带行李的旅客，把运放的同相端和反相端当做车厢，只要传感器信号给定在这中间，相对的干扰就会小很多。由于传感器的信号存在压差，避免运放异常饱和，引入差分放大器。

基于成本考虑，行业之内，大部分设计还会采用普通运放，基于减法器的模型，搭建一个差动放大器。

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。

仪表放大器介绍

差分放大器能处理大部分模拟前端，但是，由于系统输入阻抗有限，需要加入复杂的匹配电路，然而，外围电阻精度和PCB线路阻抗，又会产生新的问题。

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。

Microchip运放解决方案

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

Wolfe表示，Microchip还推出了多款有特色的运放产品，比如低噪声、高精度、全差分系列的MCP6D11、高边电流检测系列MCP6C04等。结合Excelpoint世健的技术支持等服务，可以帮助客户提供一站式选型平台，减少工作难度，尽快让产品上市。

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