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(shù)型分銷商Excelpoint世健的FAE Wolfe Yu就小信號前端、確定測量范圍、抑制噪聲、提高信噪比等問題進(jìn)行了介紹和分析。
運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)探秘
部分工程師強(qiáng)調(diào)理想運(yùn)放的增益無窮大，分析運(yùn)放，首先注意虛斷和虛短，忽略了共模抑制比、失調(diào)電壓、偏置電流等一些較為重要的概念。
一、運(yùn)放輸入模型
按照運(yùn)放模型，比較全面的梳理出運(yùn)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(yùn)放要注意虛斷和虛短。運(yùn)放的同相端輸入和反相端輸入相等。
理想運(yùn)放開環(huán)增益無窮大，實(shí)際略小，大部分在100dB(100000)倍左右，按這個(gè)增益，要讓輸出變化3V，同相反相輸入端只需30uV的壓差即可，如果加上紋波、噪聲等干擾信號，同相反相端基本上無變化。引入反饋，做閉環(huán)，同相反相端的電壓差忽略不計(jì)。
三、差模輸入和共模輸入
在應(yīng)用中，運(yùn)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，最核心的愿景是：共模被抵消，差模被放大。
四、輸入電壓范圍(Vin或Vcm)
運(yùn)算放大器輸入范圍比較復(fù)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(fù)軌之間都能滿足，運(yùn)放的上下管大致對稱，大部分時(shí)間，取運(yùn)放的共模輸入電壓Vcm為1/2 Vdd。這樣，運(yùn)放主要工作在線性區(qū)。
五、小信號檢測方法
運(yùn)算放大器用來做電流小信號采集時(shí)，往往會面臨信號該如何采集、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
由于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，而且會產(chǎn)生布局布線引起的EMI和共模干擾、溫度漂移等問題。把運(yùn)放的同相端和反相端當(dāng)做車廂，只要傳感器信號給定在這中間，相對的干擾就會小很多。傳感器的信號存在壓差，避免運(yùn)放異常飽和，引入差分放大器。
基于成本考慮，行業(yè)之內(nèi)，大部分設(shè)計(jì)還會采用普通運(yùn)放，基于減法器的模型，搭建一個(gè)差動放大器。
差分放大器的原理就像照鏡子，物理學(xué)上的說法稱作鏡像，講究對稱和平衡，只有做到兩邊一模一樣，效果才會最佳。為了這個(gè)目的，工程師就需要在模擬前端做阻抗匹配。而由于各點(diǎn)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(gè)經(jīng)典的差分運(yùn)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(jié)果差異很大。
下面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(shù)放大，即可求出4個(gè)電阻之間的關(guān)系；確定R1則需要查運(yùn)放的幾個(gè)限制條件，阻值需滿足：大于瞬時(shí)輸出電壓/最大輸出電流、小于輸入失調(diào)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，但由于系統(tǒng)輸入阻抗有限，需要加入復(fù)雜的匹配電路。當(dāng)外圍電阻精度和PCB線路阻抗，會產(chǎn)生新的問題。
為了解決差分運(yùn)放輸入阻抗較低等問題，各大廠家做了很多優(yōu)化，有的就采用如下圖的雙運(yùn)放方法來實(shí)現(xiàn)儀表放大。
雙運(yùn)放有兩個(gè)弱點(diǎn)：不支持單位增益、不同頻率的共模抑制比較差。于是眾多廠商采用三運(yùn)放方法。不少大廠推出的儀表放大器，也都是基于三運(yùn)放原理來實(shí)現(xiàn)的。
Microchip運(yùn)放解決方案
儀表放大器 MCP6N16-100
不同于眾多廠商推出的三運(yùn)放儀表放大器方案，Microchip針對工業(yè)客戶應(yīng)用提出了自己獨(dú)特的解決方案——間接電流反饋型儀表放大器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：
間接電流反饋型儀表放大器前級做跨導(dǎo)放大，實(shí)現(xiàn)V-I轉(zhuǎn)換，后級做跨阻放大I-V轉(zhuǎn)換。
間接電流反饋型儀表放大器和三運(yùn)放儀表放大器存在一些差別，主要優(yōu)勢：
· 在寬Vcm范圍內(nèi)具有高CMRR（軌到軌）
· 工作區(qū)域廣（Vin和Vout）
· 適合低電壓應(yīng)用
· 無“Hex”圖
· 高阻態(tài)Vref輸入
· 更好的增益溫度系數(shù)匹配
應(yīng)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(chǎn)品，主要針對較低成本應(yīng)用，主要特點(diǎn)：
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(tài)電流80uA
應(yīng)用案例——RTD傳感器
Wolfe表示，Microchip還推出了多款有特色的運(yùn)放產(chǎn)品，比如低噪聲、高精度、全差分系列的MCP6D11、高邊電流檢測系列MCP6C04等。結(jié)合Excelpoint世健的技術(shù)支持等服務(wù)，可以幫助客戶提供一站式選型平臺，減少工作難度，盡快讓產(chǎn)品上市。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團(tuán)分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
世健是新加坡的主板上市公司，總部設(shè)于新加坡，擁有約650名員工，業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國家。世健集團(tuán)在2020年的年?duì)I業(yè)額超過11億美元。1993年，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)。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。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場應(yīng)用支持以及豐富的市場經(jīng)驗(yàn)，世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。