基于信號調理芯片的運算放大器設計
2022年電子技術應用第11期
何貴昆1，馬 奎1，2，楊發順1，2
1.貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽550025；2.貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室，貴州 貴陽550025
摘要： 基于國內40 V雙極型工藝設計了一種全差分運算放大器，應用于信號調理芯片的驅動模塊，運放輸出信號的幅值可通過外接電阻調節。整體電路結構包含輸入級、中間級、輸出級、反饋電路和基準電路。輸入級電路引入電流并聯負反饋實現電壓到電流轉換，通過外圍電阻分流信號的一部分來設置主信號幅值。中間級采用共集-共射的電路結構，提高電壓增益；功率輸出級采用全NPN的B類結構，實現大功率輸出，提高電路驅動能力。同時電路引入共模反饋的電阻網絡，使輸出共模電壓集中在正負電源之間。在電源電壓為±15 V條件下測試結果為：輸出電壓有效值幅值范圍為1.488 V~18.57 V，直流失調電壓為-169 mV，輸出短路電流為65 mA，總諧波失真為-41.2 dB。
中圖分類號： TN402文獻標識碼： ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222743
中文引用格式： 何貴昆，馬奎，楊發順. 基于信號調理芯片的運算放大器設計[J].電子技術應用，2022，48(11)：67-73.
英文引用格式： He Guikun，Ma Kui，Yang Fashun. Design of operational amplifier based on signal conditioning chip[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(11)：67-73.
中文引用格式： 何貴昆，馬奎，楊發順. 基于信號調理芯片的運算放大器設計[J].電子技術應用，2022，48(11)：67-73.
英文引用格式： He Guikun，Ma Kui，Yang Fashun. Design of operational amplifier based on signal conditioning chip[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(11)：67-73.
Design of operational amplifier based on signal conditioning chip
He Guikun1，Ma Kui1，2，Yang Fashun1，2
1.College of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China； 2.Key Laboratory of Micro-Nano-Electronics of Guizhou Province，Guiyang 550025，China
Abstract： Based on the domestic 40 V bipolar process, a fully differential operational amplifier is designed, which is applied to the driver module of the signal conditioning chip. The amplitude of the output signal of the operational amplifier can be adjusted by an external resistor. The overall circuit structure includes input stage, intermediate stage, output stage, bias circuit, feedback circuit and reference circuit. The input stage adopts a common base amplifier circuit, which has a wide operating frequency band; the intermediate stage adopts a common collector-common emitter circuit structure to improve the voltage gain; the power output stage constitutes a loop integrator and a resistor network that provides common mode feedback, so that the output common mode voltage is concentrated between the positive and negative power supplies, and the output signal amplitude can be adjusted by an external amplitude control resistor. When the power supply voltage is ±15 V, the test results are：the output voltage amplitude range is 1.488 V~18.57 V, the DC offset voltage is -169 mV, the output short-circuit current is 65 mA，and the total harmonic distortion is 41.2 dB.
Key words : operational amplifier；bipolar；all the difference；amplitude
0 引言
如今，與線性可變差動變壓器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)式位移傳感器結合使用的信號調理芯片正變得越來越流行。在工程應用中，有多種對LVDT傳感器信號進行處理的方法，可以采用設計專門調理電路的方式，也可以采用專用集成芯片對信號進行處理，其中專用集成芯片由于內部通常集成了較為完整的LVDT信號調理子系統，包括振蕩器、運算放大器等多個關鍵器件，通過增加幾個外部無源器件就可以提供LVDT傳感器所需的正弦波激勵信號，相比設計電路的方式具有電路形式簡單、集成度高等優勢，在工程實踐中得到了較為廣泛的應用[1-3]。
信號調理芯片可將傳感器機械位置轉換為具有高精度和可重復性的單極或雙極直流電壓，并且它能使客戶避免信號調節和系統校準問題。由于LVDT是電氣變壓器設備，要使用LVDT，需要有某種形式的交流電源來驅動初級，大多數標準商使用正弦波激勵，幅度為幾伏的有效值，頻率在1 kHz和20 kHz之間。正弦波不必非常“純凈”，總諧波失真(THD)為2%到3%通常是可以接受的。重要的是激勵信號的直流分量應保持較低，因為初級繞組中的直流電流會對LVDT性能產生嚴重影響，并且次級輸出與激勵振幅成正比，這意味著激勵信號的幅值穩定性至關重要[4]。
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作者信息：
何貴昆1，馬 奎1，2，楊發順1，2
(1.貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽550025；2.貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室，貴州 貴陽550025)
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