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

前言

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。技术型分销商Excelpoint世健的FAE Wolfe Yu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。

部分工程师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，忽略了共模抑制比、失调电压、偏置电流等一些较为重要的概念。

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
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。

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。引入反馈，做闭环，同相反相端的电压差忽略不计。

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。

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的问题。

差分放大器介绍
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，而且会产生布局布线引起的EMI和共模干扰、温度漂移等问题。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。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。为了这个目的，工程师就需要在模拟前端做阻抗匹配。而由于各点参考源不同，阻抗又有误差，完全阻抗匹配往往非常困难。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。

下面介绍一下确定上图中各电阻的值的方法：

首先，按照镜像原理，偏置电流也按照相同的倍数放大，即可求出4个电阻之间的关系；确定R1则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，但由于系统输入阻抗有限，需要加入复杂的匹配电路。当外围电阻精度和PCB线路阻抗，会产生新的问题。
为了解决差分运放输入阻抗较低等问题，各大厂家做了很多优化，有的就采用如下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。于是众多厂商采用三运放方法。不少大厂推出的仪表放大器，也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
不同于众多厂商推出的三运放仪表放大器方案，Microchip针对工业客户应用提出了自己独特的解决方案——间接电流反馈型仪表放大器，其内部结构如下图所示：

间接电流反馈型仪表放大器前级做跨导放大，实现V-I转换，后级做跨阻放大I-V转换。

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