差分運放和儀表放大器應用科普貼——模擬小信號前端處理探索
前言
電子圈卷起一股小信號前端處理熱潮，各種小信號前端被討論得如火如荼，比如：如何用極低的成本做PT100的采樣，化學催化劑信號如何放大等等。對于小信號前端，確定測量范圍、如何抑制噪聲、提高信噪比，我借這個話題在此跟大家共同探討。
運算放大器結構探秘
大學模擬電子課上，老師反復強調：理想運放的增益無窮大，分析運放，首先注意虛斷和虛短，我們都堅決貫徹老師的說教，然而，忽略了其他一些比較重要的概念：比如共模抑制比、失調電壓、偏置電流等。
一、運放輸入模型
按照運放模型，比較全面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
上學時，老師一直強調，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，這是怎么一回事呢？
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。
于是又引入反饋，做閉環，同相反相端的電壓差忽略不計。如同撐杠桿，小臂微微一動，大臂不住晃動。
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，最核心的愿景是：共模被抵消，差模被放大。
舉個例子，有人在高鐵車廂內做過一個實驗，豎著擺放一排硬幣，不管車速多快，硬幣都立得很穩。這好比共模信號，外面環境怎樣變化，信號不受影響。差模信號呢，就像人在車廂里來回走動，只要正常范圍內，都不受到外界的干擾。
四、輸入電壓范圍(Vin或Vcm)
運算放大器輸入范圍比較復雜，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1/2 Vdd。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，往往會面臨一個令人疑惑的問題，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？部分的意見采低邊，部分人的意見是采高邊，大家各抒己見，莫衷一是。
舞臺看戲，下層的演員多，而且間雜觀眾，很容易被遮擋，被觀眾淹沒；樓上的明顯好得多，容易被分辨，樓層越高，成本也更高，修樓費工時、造價不便宜！
差分放大器介紹
一個不太形象的比喻，你在崎嶇的山路上，提著滿滿的行李，追趕一輛高速運行的火車，你需要跑到車頭找到你的座位，你會覺得非常吃力，大概率你還追不上；如果你已經上車了，站在車上，你會感覺很穩定，車尾車頭來回走，也會很輕松。
這跟共模干擾比較類似，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，由于布局布線引起的EMI和共模干擾、溫度漂移、等等。把傳感器比喻做攜帶行李的旅客，把運放的同相端和反相端當做車廂，只要傳感器信號給定在這中間，相對的干擾就會小很多。由于傳感器的信號存在壓差，避免運放異常飽和，引入差分放大器。
基于成本考慮，行業之內，大部分設計還會采用普通運放，基于減法器的模型，搭建一個差動放大器。
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，只有做到兩邊一模一樣，效果才會最佳，否則，就會失真。
為了做到鏡像效果，需要在模擬前端做阻抗匹配，由于各點參考源不同，阻抗又有誤差，完全阻抗匹配非常困難，下圖是一個經典的差分運放，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。
有人會問，如何確定上面各電阻的值？正常來說，按照鏡像原理，偏置電流一樣，放大倍數相當，可以很容易求出4個電阻之間的關系，如何確定R1，會略微麻煩點，需要查運放的幾個限制條件，阻值需滿足：大于瞬時輸出電壓/最大輸出電流、小于輸入失調電壓/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，但是，由于系統輸入阻抗有限，需要加入復雜的匹配電路，然而，外圍電阻精度和PCB線路阻抗，又會產生新的問題。
為了解決差分運放輸入阻抗較低等問題，各大廠家又做了很多優化，有人采用如圖的雙運放方法來實現儀表放大。
雙運放有兩個弱點：不支持單位增益、不同頻率的共模抑制比較差。于是眾多廠商引入另一種方案，采用三運放方法，不少大廠推出的儀表放大器，都是基于三運放原理來實現的。
Microchip運放解決方案
儀表放大器 MCP6N16-100
針對工業客戶應用，Microchip提出自己獨特的解決方案，與眾多廠商推出三運放儀表放大器方案不同，Microchip推出間接電流反饋型儀表放大器，間接電流反饋型儀表放大器內部結構如下圖所示。
間接電流反饋型儀表放大器是怎么工作的呢？前級做跨導放大，實現V-I轉換，后級做跨阻放大I-V轉換，用下面這張圖來描述，也許會更準確一些。
間接電流反饋型儀表放大器和三運放儀表放大器存在一些差別，主要優勢：
ü q在寬Vcm范圍內具有高CMRR（軌到軌）
ü q工作區域廣（Vin和Vout）
ü q適合低電壓應用
ü q無“Hex”圖
ü q高阻態Vref輸入
ü q更好的增益溫度系數匹配
應用案例——惠斯通橋
零漂移放大器 MCP6V61
另外，Microchip的零漂移放大器產品，主要針對較低成本應用，主要特點：
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
- 靜態電流80uA
應用案例——RTD傳感器
除此之外，Microchip還推出多款有特色的運放產品，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。
翻翻老梗
原標題：差分運放和儀表放大器應用科普貼
原作者：wolfe_yu
本文為21ic有獎征文作品，詳情請見21ic論壇活動專區：第二屆萬元紅包——藍V達人有獎征文活動，如果您也有興趣參與征文，歡迎進入論壇參與活動~
