前言

圍繞如何處理小信號前端這一話題，近期引起了一波討論熱潮。技術型分銷商Excelpoint世健的FAEWolfeYu就小信號前端、確定測量範圍、抑製噪聲、提高信噪比等問題進行了介紹和分析。

運算放大器結構探秘

部分工程師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，忽略了共模抑製比、失調電壓、偏置電流等一些較為(wei) 重要的概念。

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

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。

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(ge) 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。引入反饋，做閉環，同相反相端的電壓差忽略不計。

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。

四、輸入電壓範圍(Vin或Vcm)

運算放大器輸入範圍比較複雜，理論上來講，同相端和反相端模擬輸入在電源的正軌到負軌之間都能滿足，運放的上下管大致對稱，大部分時間，取運放的共模輸入電壓Vcm為(wei) 1/2Vdd。這樣，運放主要工作在線性區。

五、小信號檢測方法

運算放大器用來做電流小信號采集時，往往會(hui) 麵臨(lin) 信號該如何采集、是采用高邊電流檢測還是采用低邊電流檢測的問題。

差分放大器介紹

由於(yu) 傳(chuan) 感器信號主要是通過施加電壓差做為(wei) 輸出，信號的差值電壓很小，而且會(hui) 產(chan) 生布局布線引起的EMI和共模幹擾、溫度漂移等問題。把運放的同相端和反相端當做車廂，隻要傳(chuan) 感器信號給定在這中間，相對的幹擾就會(hui) 小很多。傳(chuan) 感器的信號存在壓差，避免運放異常飽和，引入差分放大器。

基於(yu) 成本考慮，行業(ye) 之內(nei) ，大部分設計還會(hui) 采用普通運放，基於(yu) 減法器的模型，搭建一個(ge) 差動放大器。

差分放大器的原理就像照鏡子，物理學上的說法稱作鏡像，講究對稱和平衡，隻有做到兩(liang) 邊一模一樣，效果才會(hui) 最佳。為(wei) 了這個(ge) 目的，工程師就需要在模擬前端做阻抗匹配。而由於(yu) 各點參考源不同，阻抗又有誤差，完全阻抗匹配往往非常困難。下圖是一個(ge) 經典的差分運放，通過輸出靜默電壓Uoz，用KCL去求解同相輸入和反相輸入阻抗，結果差異很大。

下麵介紹一下確定上圖中各電阻的值的方法：

首先，按照鏡像原理，偏置電流也按照相同的倍數放大，即可求出4個(ge) 電阻之間的關(guan) 係；確定R1則需要查運放的幾個(ge) 限製條件，阻值需滿足：大於(yu) 瞬時輸出電壓/最大輸出電流、小於(yu) 輸入失調電壓/輸入偏置電流，還要注意熱噪聲影響等等。

儀(yi) 表放大器介紹

差分放大器能處理大部分模擬前端，但由於(yu) 係統輸入阻抗有限，需要加入複雜的匹配電路。當外圍電阻精度和PCB線路阻抗，會(hui) 產(chan) 生新的問題。

為(wei) 了解決(jue) 差分運放輸入阻抗較低等問題，各大廠家做了很多優(you) 化，有的就采用如下圖的雙運放方法來實現儀(yi) 表放大。

雙運放有兩(liang) 個(ge) 弱點：不支持單位增益、不同頻率的共模抑製比較差。於(yu) 是眾(zhong) 多廠商采用三運放方法。不少大廠推出的儀(yi) 表放大器，也都是基於(yu) 三運放原理來實現的。

Microchip運放解決(jue) 方案

儀(yi) 表放大器MCP6N16-100

不同於(yu) 眾(zhong) 多廠商推出的三運放儀(yi) 表放大器方案，Microchip針對工業(ye) 客戶應用提出了自己獨特的解決(jue) 方案——間接電流反饋型儀(yi) 表放大器，其內(nei) 部結構如下圖所示：

間接電流反饋型儀(yi) 表放大器前級做跨導放大，實現V-I轉換，後級做跨阻放大I-V轉換。

間接電流反饋型儀(yi) 表放大器和三運放儀(yi) 表放大器存在一些差別，主要優(you) 勢：

✔️在寬Vcm範圍內(nei) 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(chan) 品，主要針對較低成本應用，主要特點：

高直流精度

-VOS漂移:±15nV/°C

-AOL:125dB

-PSRR:117dB

-CMRR:120dB

-(EMIRR)at1.8GHz:101dB

-低功耗

-靜態電流80uA

應用案例——RTD傳(chuan) 感器

Wolfe表示，Microchip還推出了多款有特色的運放產(chan) 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(chan) 品上市。

關(guan) 於(yu) 世健——亞(ya) 太區領先的元器件授權代理商

世健是完整解決(jue) 方案的供應商，為(wei) 亞(ya) 洲電子廠商包括原設備生產(chan) 商(OEM)、原設計生產(chan) 商(ODM)和電子製造服務提供商(EMS)提供優(you) 質的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。

世健與(yu) 供應商及電子廠商緊密協作，為(wei) 新的科技與(yu) 趨勢作出定位，並幫助客戶把這些最先進的科技揉合於(yu) 他們(men) 的產(chan) 品當中。集團分別在新加坡、中國及越南設有研發中心，專(zhuan) 業(ye) 的研發團隊不斷創造新的解決(jue) 方案，幫助客戶提高成本效益並縮短產(chan) 品上市時間。世健研發的完整解決(jue) 方案及參考設計可應用於(yu) 工業(ye) 、無線通信及消費電子等領域。

世健是新加坡的主板上市公司，總部設於(yu) 新加坡，擁有約650名員工，業(ye) 務範圍已擴展至亞(ya) 太區40多個(ge) 城市和地區，遍及新加坡、馬來西亞(ya) 、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞(ya) 、菲律賓及澳大利亞(ya) 等十多個(ge) 國家。世健集團在2020年的年營業(ye) 額超過11億(yi) 美元。1993年，世健在香港設立區域總部——世健係統（香港）有限公司，正式開始發展中國業(ye) 務。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專(zhuan) 業(ye) 的研發團隊、頂尖的現場應用支持以及豐(feng) 富的市場經驗，世健在中國業(ye) 內(nei) 享有領先地位。

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