選擇精密放大器拓?fù)?/h1>
2026/3/3 10:58:01
摘要
在精密信號(hào)鏈中，傳感器之后的第一個(gè)模塊通常是放大器電路，放大器電路必須放大目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)保證信號(hào)不失真。本文將討論如何為傳感器應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)木芊糯笃麟娐吠負(fù)洌⒅攸c(diǎn)關(guān)注運(yùn)算放大器、差動(dòng)放大器、電流檢測(cè)放大器、儀表放大器和全差動(dòng)放大器。
引言
精密傳感器長(zhǎng)期以來(lái)一直是測(cè)量物理世界諸多參數(shù)的關(guān)鍵元件。隨著精密測(cè)量應(yīng)用的種類(lèi)和數(shù)量增加，工程師設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要能夠在干擾信號(hào)存在的情況下檢測(cè)到較小幅度信號(hào)，同時(shí)保證信號(hào)不失真。這不僅需要選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎€需要精心設(shè)計(jì)完整的信號(hào)路徑（從傳感器到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器），從而將模擬信號(hào)數(shù)字化。那么，對(duì)于特定的傳感器應(yīng)用而言，哪種放大器拓?fù)渥顬楹线m呢？選擇時(shí)，需要考慮最終系統(tǒng)的目標(biāo)和放大器電路的設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)。
在選擇放大器拓?fù)鋾r(shí)，首先要考慮的通常是確定傳感器輸出（和放大器輸入）信號(hào)是單端信號(hào)還是差分信號(hào)。一些拓?fù)渑渲媒邮軉味溯斎胄盘?hào)，一些則接受差分信號(hào)。此外，選擇哪種放大器拓?fù)渥詈线m將取決于我們希望放大器輸出單端信號(hào)還是差分信號(hào)。
單端運(yùn)算放大器拓?fù)?/strong>
運(yùn)算放大器(op amp)是一種用途極其廣泛的放大器，最開(kāi)始的設(shè)計(jì)目的是完成計(jì)算器所需的各種運(yùn)算功能，因此而得名。如果是具有單端輸入和單端輸出的放大器電路，將使用由一對(duì)電阻提供適當(dāng)反饋的簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器電路。當(dāng)使用單端運(yùn)算放大器電路來(lái)放大高精度信號(hào)時(shí)，通常在同相放大器和反相放大器這兩種拓?fù)渲g進(jìn)行選擇（圖1）。這兩種電路均采用一個(gè)反饋電阻和一個(gè)增益電阻。
圖1.單端(a)同相放大器和(b)反相放大器。
圖2顯示了簡(jiǎn)單的單端輸入、單端輸出應(yīng)用。ADI TMP35溫度傳感器輸出的電壓與溫度成比例，靈敏度為10 mV/°C。然后，輸出信號(hào)連接到單端同相放大器電路，傳遞函數(shù)為VOUT = G × VIN，其中G是電路的閉環(huán)增益，等于1 + (R2/R1)。例如，要檢測(cè)0°C至50°C的溫度范圍，傳感器的滿(mǎn)量程輸出范圍將為10 mV/°C × 50°C = 500 mV。如果傳感器輸出要驅(qū)動(dòng)具有5 V滿(mǎn)量程輸入范圍的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，信號(hào)將需要按10 V/V的增益放大，以便利用ADC的整個(gè)輸入動(dòng)態(tài)范圍。這可通過(guò)同相運(yùn)算放大器電路實(shí)現(xiàn)，其中G = 1 + (9 kΩ/1 kΩ) = 10 V/V。
圖2.單端溫度傳感器輸出和同相放大器電路。
共模抑制
在放大器拓?fù)渲g選擇時(shí)，一個(gè)需要評(píng)估的關(guān)鍵因素是放大器電路有效抑制共模輸入電壓的能力（防止兩個(gè)輸入端所共有的信號(hào)電壓在輸出端表現(xiàn)出來(lái)），同時(shí)放大差模輸入電壓。共模抑制比(CMRR)是一個(gè)定量指標(biāo)，用于衡量放大器電路在這方面的能力。CMRR越高，輸出端的誤差就越小。CMRR通常表示為兩個(gè)增益之比：差模電壓增益(ADIFF)相對(duì)于共模電壓增益(ACM)的值，單位為dB。
回想一下，理想運(yùn)算放大器的輸入端之間存在虛短，施加于一個(gè)輸入端(+IN)的信號(hào)電壓也將出現(xiàn)在另一個(gè)輸入端(-IN)；這就是運(yùn)算放大器的共模電壓。現(xiàn)代運(yùn)算放大器的CMRR規(guī)格可達(dá)120 dB至140 dB，甚至更高。此級(jí)別的CMRR可使共模誤差保持在最低水平，從而在輸出端實(shí)現(xiàn)高精度。舉個(gè)例子，如果運(yùn)算放大器的CMRR規(guī)格為140 dB，僅0.00001%（或0.1 ppm）的運(yùn)算放大器輸入端共模電壓將出現(xiàn)在輸出端(VOUT)。對(duì)于最大輸入范圍為5 V的低壓運(yùn)算放大器，輸出端的最大共模誤差將僅為0.5 μV。但是，使用具有高輸入電壓范圍（例如50 V）的運(yùn)算放大器會(huì)導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)5 μV的誤差。這是否成為一個(gè)問(wèn)題，取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。如果共模誤差超出特定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可接受限度，則需要使用能夠最大限度減少這種誤差的電路。
在同相拓?fù)洌▓D1a）中，運(yùn)算放大器輸入+IN和–IN將等于信號(hào)輸入(VIN)，因此信號(hào)電壓的任何增加都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸入引腳處的共模電壓增加，并且輸出端的共模誤差也會(huì)增加。或者，考慮使用反相放大器電路（圖1b）。在此拓?fù)渲校?IN輸入（于是–IN輸入）接地。由于輸入共模電壓為0V，因此可以避免輸入端的任何共模電壓，以及由此產(chǎn)生的輸出端共模誤差。
差動(dòng)放大器
許多傳感器將其輸出呈現(xiàn)為差分信號(hào)，測(cè)量的物理特性由兩個(gè)電壓之差來(lái)表示。使用具有差分輸出的傳感器的一個(gè)好處是，具有差分輸入和高共模抑制規(guī)格的放大器可以抑制傳感器兩個(gè)輸出端出現(xiàn)的任何電壓，即共模電壓。
除了抑制傳感器輸出端的共模電壓，系統(tǒng)中的差模信號(hào)還有其他好處。一個(gè)好處是高共模抑制使系統(tǒng)更加穩(wěn)固，能夠抵抗電磁干擾(EMI)。外部EMI會(huì)將噪聲引入差模信號(hào)的兩個(gè)導(dǎo)體；差動(dòng)放大器會(huì)抑制這種共模噪聲，保留并放大目標(biāo)差模信號(hào)，從而獲得出色的信噪比(SNR)。差模信號(hào)的另一個(gè)好處在于，其幅度是單端信號(hào)的兩倍，這相當(dāng)于SNR增加了6 dB。輸出信號(hào)幅度加倍使差分輸入放大器在低電源電壓應(yīng)用中非常有用，在此類(lèi)應(yīng)用中，電壓范圍不足以允許大信號(hào)擺幅。
用于放大精密差模信號(hào)的基本拓?fù)涫遣顒?dòng)放大器（圖3）。差動(dòng)放大器接受差分輸入信號(hào)，抑制共模電壓(VCM)，放大差分輸入電壓(VDIFF)，并輸出與兩個(gè)輸入電壓之差成比例的放大單端信號(hào)。其傳遞函數(shù)為VOUT = G × (VDIFF)，其中VDIFF為(V2 – V1)，G為放大器電路的增益，等于比率(R2/R1)。
與單端放大器不同，共模電壓是電路的兩個(gè)輸入端（V1和V2）所共有的電壓，而不是運(yùn)算放大器輸入端+IN和–IN所共有的電壓。共模電壓定義為兩個(gè)輸入電壓的平均值，VCM = (V2 + V1)/2。例如，當(dāng)V1為5 V且V2為3 V時(shí)，共模輸入電壓將為4 V，差模電壓將為2 V。該2 V差模信號(hào)將在輸出端放大。
如前所述，帶有差分輸入的放大器的共模抑制比表示為CMRR = 20 × log10 (ADIFF/ACM)。請(qǐng)注意，由于差分增益(ADIFF)增加且共模增益(ACM)降低，共模抑制會(huì)隨著差分增益成比例改進(jìn)。這是一項(xiàng)重大優(yōu)勢(shì)，使我們能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的增益和更高的CMRR。另外需要注意的是，CMRR會(huì)隨著頻率的增加而降低，因此務(wù)必選擇在目標(biāo)信號(hào)頻率下具有所需抑制能力的差動(dòng)放大器。
圖3.差動(dòng)放大器電路。
電阻容差和放大器精度
差動(dòng)放大器電路的CMRR在很大程度上取決于R2/R1之比和R2’/R1’之比的匹配程度。當(dāng)放大器電路由分立元件組成時(shí)（如圖3所示），可能很難實(shí)現(xiàn)良好匹配。例如，精密運(yùn)算放大器的CMRR規(guī)格可達(dá)到140 dB或更高。但即便是理想的運(yùn)算放大器，假設(shè)有一個(gè)4電阻差動(dòng)放大器電路使用容差為0.1%的電阻且增益為1，如果在該電路中使用理想運(yùn)算放大器，該電路只能實(shí)現(xiàn)54 dB的最小CMRR。1 54 dB的CMRR大約相當(dāng)于僅9位ADC的精度。這對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能已經(jīng)足夠，但高精度應(yīng)用需要更好的CMRR，因此需要更好的電阻匹配。放大器電路的另一個(gè)重要規(guī)格是增益精度。若要放大信號(hào)以獲得特定增益，需要為R2、R1、R1'和R2'選擇特定的電阻值。任何偏離標(biāo)稱(chēng)電阻值的容差都會(huì)導(dǎo)致比率不匹配，從而造成增益誤差。由于所有電阻的阻值都隨著溫度而變化，因此增益溫漂會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。分立放大器電路的這些問(wèn)題可通過(guò)良好匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)緩解，例如電阻比匹配率為0.01%的ADI LT5400系列，或匹配率為0.003%的LT5401系列。
為了達(dá)到最高精度，所有這些挑戰(zhàn)（CMRR降低、增益誤差增加和增益溫漂增加）以及印刷電路板上的溫度梯度、寄生電容等其他問(wèn)題，都可以通過(guò)使用集成差動(dòng)放大器得到大幅緩解，其中放大器和電阻都置于單芯片集成電路(IC)上。由于每個(gè)IC上的電阻值在生產(chǎn)過(guò)程中都精確匹配，因此集成差動(dòng)放大器的CMRR規(guī)格非常高，且增益誤差非常低。此外，由于它們位于同一裸片上，并由相同的材料制成，每個(gè)電阻往往接近相同的溫度并具有相同的溫度系數(shù)，因此它們的阻值將在溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出類(lèi)似的變化，使得電阻比的變化非常小，因此增益溫漂也極低。許多集成差動(dòng)放大器的CMRR規(guī)格高達(dá)80 dB至90 dB，甚至更高，增益誤差為0.005%至0.02%，增益溫漂低至1 ppm/°C。
下面看看ADI的集成式LT1997-1差動(dòng)放大器，如圖4所示。該放大器的額定最小CMRR超過(guò)100 dB，十分出色，相當(dāng)于大約17位的精度。其典型增益誤差為±0.01%，典型增益溫漂超低，為±0.2 ppm/°C。一個(gè)額外的好處是，通過(guò)集成多個(gè)具有不同值的集成電阻，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可選擇針對(duì)不同增益進(jìn)行配置。對(duì)于LT1997-1，多個(gè)集成電阻允許針對(duì)從0.141 V/V到80 V/V的24個(gè)獨(dú)特放大（和衰減）增益進(jìn)行配置，且不使用外部元件。
圖4.LT1997-1集成差動(dòng)放大器（針對(duì)10 V/V的增益配置）。
通過(guò)差動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)
精密電流檢測(cè)是差動(dòng)放大器的一個(gè)熱門(mén)應(yīng)用，相關(guān)示例如圖5所示。流向負(fù)載的電流會(huì)流經(jīng)一個(gè)超低阻值的分流（檢測(cè)）電阻。分流電阻上的電壓與負(fù)載電流成正比。被檢測(cè)的電流會(huì)在分流電阻上產(chǎn)生成比例的小差模電壓。為了利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整個(gè)輸入電壓范圍，該小電壓會(huì)被放大。
圖5中的電路被稱(chēng)為高邊電流檢測(cè)，因?yàn)榉至麟娮璺胖茫ㄕ跍y(cè)量電流）在電源和負(fù)載之間；這不是低邊檢測(cè)，在低邊檢測(cè)中，分流電阻位于負(fù)載和地之間。高邊電流檢測(cè)有諸多優(yōu)勢(shì)，其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以在負(fù)載處檢測(cè)到對(duì)地短路。
對(duì)于高邊差模電流檢測(cè)，必須考慮兩個(gè)電壓：差模電壓(VDIFF)，即輸入V2和輸入V1之間的信號(hào)電壓（分流電阻上的電壓）；還有共模電壓(VCM)，存在于V2和V1上。在此示例中，運(yùn)算放大器的+IN輸入為電壓VSUPPLY（或VLOAD + VDIFF），運(yùn)算放大器的–IN輸入為電壓VLOAD（或VSUPPLY – VDIFF）。差動(dòng)放大器將放大差模電壓并抑制共模電壓。
圖5.使用差動(dòng)放大器放大精密差模信號(hào)。
在高邊電流檢測(cè)等許多應(yīng)用中，共模輸入電壓可能遠(yuǎn)大于差模電壓的幅度。事實(shí)上，共模輸入電壓通常遠(yuǎn)大于運(yùn)算放大器的電源電壓，有時(shí)高達(dá)數(shù)百伏。由于輸出端的共模誤差與輸入端的共模電壓成正比，因此具有極高共模輸入電壓的系統(tǒng)需要相應(yīng)的高CMRR，才能獲得精確的模擬輸出信號(hào)。差動(dòng)放大器的一個(gè)關(guān)鍵特性是，它能夠抑制高共模電壓，遠(yuǎn)超出電源電壓范圍。這是可能做到的，因?yàn)槊總€(gè)輸入端的電阻網(wǎng)絡(luò)會(huì)衰減輸入電壓V1和V2，直至運(yùn)算放大器輸入+IN和–IN在額定輸入電壓范圍內(nèi)。例如，ADI公司的AD8479接受±600 V的共模輸入電壓和±15 V的電源電壓。
電平轉(zhuǎn)換
差動(dòng)放大器電路的另一個(gè)好處是，它可以非常輕松地對(duì)輸出電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。為此，許多差動(dòng)放大器都包含基準(zhǔn)輸入。當(dāng)輸入端之間的差值為零時(shí)，向基準(zhǔn)輸入引腳施加電壓可將輸出設(shè)置為該電壓。借助此功能，我們能夠?qū)⒎糯笃鬏敵雠c選定的基準(zhǔn)電壓對(duì)齊，比如電源電壓的一半，以通過(guò)單電源進(jìn)行雙向檢測(cè)（圖6）；或ADC輸入電壓范圍的中點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳動(dòng)態(tài)范圍（圖7）。
圖6.電平轉(zhuǎn)換，使輸出電壓始終以電源電壓的一半為參考。
舉個(gè)例子，如果有一個(gè)信號(hào)在±2.5 V之間振蕩，并且目標(biāo)是將該信號(hào)饋入輸入電壓范圍為0 V至5 V的ADC，那么需要將信號(hào)集中于ADC滿(mǎn)量程輸入電壓范圍的一半，以便利用整個(gè)輸入范圍。圖7顯示了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的直接方法。或者，可以向兩個(gè)REF輸入引腳施加單電壓，以直接建立輸出偏置電壓。
圖7.電平轉(zhuǎn)換，使輸出以ADC基準(zhǔn)電壓的一半為參考。
電流檢測(cè)放大器
如前所述，單芯片差動(dòng)放大器適合許多應(yīng)用，其中一個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用是使用低阻值分流電阻進(jìn)行電流檢測(cè)。雖然差動(dòng)放大器適用于許多電流檢測(cè)應(yīng)用，但通過(guò)對(duì)電流檢測(cè)放大器提供的某些特性和規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化，其他應(yīng)用也可從中受益。這些專(zhuān)用放大器的架構(gòu)通常與差動(dòng)放大器不同。CSA往往使用高電壓輸入晶體管，以直接接受快速變化的大共模電壓，同時(shí)精確放大小的差模分流電壓（圖8），而不是使用輸入電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)衰減輸入電壓。
圖8.電流檢測(cè)放大器的示例。
在差動(dòng)放大器中，輸入差模信號(hào)在內(nèi)部由電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，然后放大到其原始輸入電平，再加上更多增益，從而在輸出端實(shí)現(xiàn)最終信號(hào)放大。將衰減的輸入恢復(fù)到原始信號(hào)幅度會(huì)消耗內(nèi)部放大器的部分增益帶寬積，為了獲得額外的增益而放棄一些帶寬。由于大多數(shù)CSA的高壓輸入晶體管不衰減信號(hào)，因此不需要增益來(lái)恢復(fù)信號(hào)幅度，并且內(nèi)部運(yùn)算放大器提供更多可用帶寬來(lái)放大信號(hào)。例如，AD8206差動(dòng)放大器的小信號(hào)-3 dB帶寬為100 kHz，而AD8210電流檢測(cè)放大器的帶寬為450 kHz。CSA的帶寬增加使其非常適合高頻應(yīng)用，或者適合在檢測(cè)快速電流瞬變時(shí)使用。
此外，與CMRR為80 dB至100 dB的大多數(shù)差動(dòng)放大器相比，CSA往往具有更高的共模抑制比，范圍在100 dB至120 dB，甚至更高。請(qǐng)注意，CSA的大帶寬有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是它不具備內(nèi)部衰減網(wǎng)絡(luò)，因此無(wú)法像差動(dòng)放大器一樣接受非常高的共模輸入電壓電平，但CSA共模電壓限值仍然非常高，介于80 V到100 V之間。
CSA通常用于測(cè)量大開(kāi)關(guān)電流。在負(fù)載的高邊測(cè)量開(kāi)關(guān)電流（即分流電阻上的差模電壓）時(shí)，分流電阻的共模電壓通常可以在接地和電源電壓之間快速變化。共模電壓的快速變化會(huì)在放大器輸入端引起大瞬變。這些共模電壓瞬變經(jīng)常會(huì)超過(guò)信號(hào)幅度。理想情況下，放大器產(chǎn)生的輸出僅反映放大的差模檢測(cè)電壓。實(shí)際上，共模階躍響應(yīng)可能出現(xiàn)在輸出端。CSA專(zhuān)門(mén)用于抑制此類(lèi)快速變化的共模電壓階躍產(chǎn)生的共模瞬態(tài)尖峰，因此非常適合對(duì)幅度快速變化的信號(hào)進(jìn)行電流檢測(cè)。
圖9顯示了ADI公司的AD8418 CSA所實(shí)現(xiàn)的階躍響應(yīng)和瞬態(tài)抑制。共模輸入電壓為15 V，放大器的輸入瞬變過(guò)沖共模電壓超出50%。產(chǎn)生的共模階躍響應(yīng)表現(xiàn)為僅36 mV的短暫輸出擾動(dòng)。
圖9.AD8418共模瞬態(tài)電壓響應(yīng)(VSUPPLY = 5 V)。
舉個(gè)例子，在典型的三相電機(jī)控制系統(tǒng)中測(cè)量相位電流時(shí)，會(huì)發(fā)生共模電壓快速切換，在該場(chǎng)景中，控制器將脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)驅(qū)動(dòng)到逆變器級(jí)，然后逆變器級(jí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的每一側(cè)（圖10）。分流電阻與電機(jī)并排放置。利用分流電阻上瞬時(shí)電流測(cè)量的差模電壓反饋，控制器能夠確定每個(gè)信號(hào)的相位。通過(guò)每個(gè)PWM脈沖，分流電阻上的共模電壓在V–和V+之間的整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)快速步進(jìn)。這些快速PWM步進(jìn)要求放大器具有高帶寬，且能夠在上升沿和下降沿抑制高瞬態(tài)過(guò)沖。ADI公司的AD8411A在輸入端集成了共模電壓范圍高達(dá)70 V的精密內(nèi)部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)，采用2.7 MHz高帶寬，并包含去毛刺電路，以通過(guò)降低快速開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出精度，因此非常適合這類(lèi)應(yīng)用。
圖10.三相電機(jī)控制電流測(cè)量。
儀表放大器
到目前為止討論的差分輸入放大器拓?fù)洌ú顒?dòng)放大器和電流檢測(cè)放大器）非常適合用于在廣泛應(yīng)用中放大差模信號(hào)，特別是在存在極高共模電壓的情況下。對(duì)于需要在高共模電壓中（包括噪聲）以高精度放大極小信號(hào)的應(yīng)用，使用具有更高精度的放大器必不可少。儀表放大器(in-amps)專(zhuān)為這些嚴(yán)苛的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
與儀表放大器相比，差動(dòng)放大器的一個(gè)潛在局限是輸入阻抗相對(duì)較低。另一個(gè)局限是每個(gè)放大器輸入的阻抗不相等。要了解這些局限的影響，可參考惠斯通電橋（圖11）中的差模信號(hào)(V2 – V1)放大，這種配置廣泛用于各種傳感器。首先要考慮的是，許多電橋的輸出阻抗較高，卻要驅(qū)動(dòng)相對(duì)較低的放大器輸入阻抗，這可能是個(gè)問(wèn)題。例如，當(dāng)電橋輸出阻抗為4 k?，差動(dòng)放大器輸入阻抗為200 k?時(shí)，其輸出阻抗上將損失2%的傳感器信號(hào)，這將導(dǎo)致測(cè)量精度降低。第二個(gè)要考慮的是，差動(dòng)放大器的輸入阻抗不相等，這將導(dǎo)致電橋電路兩側(cè)的壓降不同，從而產(chǎn)生差模電壓誤差。為了解決這些問(wèn)題，所使用的放大器需要具有更高的輸入阻抗，在電橋輸出上呈現(xiàn)平衡負(fù)載，并具有出色的CMRR。這些都是儀表放大器的主要特性和優(yōu)點(diǎn)。
圖11.惠斯通電橋
觀察經(jīng)典的3運(yùn)算放大器儀表放大器（圖12a），兩個(gè)運(yùn)算放大器A1和A2組成第一級(jí)（稱(chēng)為前置放大器級(jí)），第三個(gè)運(yùn)算放大器A3用于第二級(jí)（稱(chēng)為減法器）。減法器級(jí)可識(shí)別為熟悉的差動(dòng)放大器拓?fù)洹７糯笃鰽1和A2提供平衡且極高的輸入阻抗。此外，它們會(huì)放大差模輸入電壓，而將共模電壓直接傳遞而不進(jìn)行放大。A3處的減法器級(jí)會(huì)抑制共模電壓，并將放大的差模電壓傳遞至輸出端。這種拓?fù)涞牧硪粋€(gè)特性是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)單個(gè)外部電阻(RG)設(shè)置增益，因而無(wú)需匹配分立電阻比。這種拓?fù)浞浅＿m合用于放大非常小的信號(hào)并抑制高共模電壓。該儀表放大器的傳遞函數(shù)為VOUT = G × (VDIFF) + VREF，其中VDIFF為(V+IN – V+IN)，G是儀表放大器的增益，VREF是施加到REF輸入端的電壓，用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行電平搬移。
與差動(dòng)放大器一樣，集成儀表放大器（圖12b）也受益于單芯片裸片上精確匹配的電阻。雖然集成差動(dòng)放大器的共模抑制范圍可能介于90 dB至100 dB之間，但許多儀表放大器的CMRR規(guī)格可達(dá)130 dB至140 dB，甚至更高。這得益于儀表放大器的大差模增益。在前面的電橋示例中，假設(shè)電橋源電阻為4 kΩ，而ADI AD8422儀表放大器的輸入電阻為200 GΩ，源信號(hào)損耗非常小，為0.000002% (0.02 ppm)。此外，儀表放大器的輸入偏置電流往往遠(yuǎn)低于差動(dòng)放大器。因此，當(dāng)輸入偏置電流流過(guò)任何源電阻時(shí)，產(chǎn)生的電壓誤差將較小。
圖12.(a) 3運(yùn)算放大器儀表放大器拓?fù)浜?b)單芯片儀表放大器集成電路。
全差分放大器
前文探索了具有單輸入和差分輸入的放大器拓?fù)洌@些拓?fù)渚哂袉味溯敵觥Ｔ诰苄盘?hào)放大器電路設(shè)計(jì)中，可能需要生成差分輸出信號(hào)。具有差分輸入和差分輸出的放大器被稱(chēng)為全差分放大器（有時(shí)縮寫(xiě)為FDA或diff-amp）。集成FDA用途廣泛，能夠放大單端或差分輸入信號(hào)。在抑制輸入共模電壓、放大差分輸入電壓和提供差分輸出信號(hào)方面，F(xiàn)DA均表現(xiàn)出色。通過(guò)為基準(zhǔn)輸入引腳施加所需的電壓電平，可確定輸出共模電壓(VOCM)。
圖13.全差分放大器驅(qū)動(dòng)高精度ADC（參考電路筆記CN-0310）。
FDA的一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)高性能ADC的差分輸入。在這種情況下，F(xiàn)DA可用于將小輸入信號(hào)放大到ADC的輸入電壓范圍內(nèi)，或?qū)⒋筝斎胄盘?hào)衰減到ADC的輸入電壓范圍內(nèi)。圖13顯示了ADI公司的AD8475FDA接收來(lái)自傳感器的差分輸入信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)24位、250 kSPS Σ-Δ ADC（AD7176-2）的差分輸入。在該應(yīng)用中，放大器的VOCM輸入由ADC的基準(zhǔn)輸出驅(qū)動(dòng)，以將共模電壓設(shè)置為適合ADC輸入動(dòng)態(tài)范圍的電平。
FDA的另一個(gè)普遍應(yīng)用是將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)。許多傳感器會(huì)輸出高精度單端信號(hào)。在放大或衰減信號(hào)并隨后驅(qū)動(dòng)差分ADC輸入時(shí)，需要將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。FDA非常適合執(zhí)行此類(lèi)任務(wù)。圖14顯示了這種配置，將一個(gè)放大器輸入接地，并使用單端信號(hào)驅(qū)動(dòng)另一個(gè)輸入。除了調(diào)理ADC差分輸入的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為差分輸出還能夠使信號(hào)幅度加倍(6 dB)，從而提高SNR并優(yōu)化數(shù)字化信號(hào)的有效分辨率。
圖14.單端至差分信號(hào)轉(zhuǎn)換。
結(jié)論
對(duì)于精密信號(hào)調(diào)理電路，放大器拓?fù)涞倪x擇取決于多個(gè)考慮因素。一些優(yōu)先考慮因素包括信號(hào)類(lèi)型（單端或差分）、信號(hào)源阻抗（例如，傳感器）、所需的共模抑制和增益精度。通過(guò)利用本文中介紹的各種放大器拓?fù)洌饧覣DI公司提供的采用所有這些拓?fù)涞姆糯笃鳎到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒑线m的放大器與自身的應(yīng)用相匹配，從而實(shí)現(xiàn)理想的系統(tǒng)性能。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
Daniel Burton是ADI公司中心應(yīng)用部門(mén)的資深應(yīng)用工程師。在職業(yè)生涯的大部分時(shí)間里，他一直負(fù)責(zé)檢測(cè)應(yīng)用、精密信號(hào)鏈應(yīng)用及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面的工作。Daniel于2010年加入ADI公司。他畢業(yè)于圣何塞州立大學(xué)，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。
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摘要
在精密信號(hào)鏈中，傳感器之后的第一個(gè)模塊通常是放大器電路，放大器電路必須放大目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)保證信號(hào)不失真。本文將討論如何為傳感器應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)木芊糯笃麟娐吠負(fù)洌⒅攸c(diǎn)關(guān)注運(yùn)算放大器、差動(dòng)放大器、電流檢測(cè)放大器、儀表放大器和全差動(dòng)放大器。
引言
精密傳感器長(zhǎng)期以來(lái)一直是測(cè)量物理世界諸多參數(shù)的關(guān)鍵元件。隨著精密測(cè)量應(yīng)用的種類(lèi)和數(shù)量增加，工程師設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要能夠在干擾信號(hào)存在的情況下檢測(cè)到較小幅度信號(hào)，同時(shí)保證信號(hào)不失真。這不僅需要選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎€需要精心設(shè)計(jì)完整的信號(hào)路徑（從傳感器到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器），從而將模擬信號(hào)數(shù)字化。那么，對(duì)于特定的傳感器應(yīng)用而言，哪種放大器拓?fù)渥顬楹线m呢？選擇時(shí)，需要考慮最終系統(tǒng)的目標(biāo)和放大器電路的設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)。
在選擇放大器拓?fù)鋾r(shí)，首先要考慮的通常是確定傳感器輸出（和放大器輸入）信號(hào)是單端信號(hào)還是差分信號(hào)。一些拓?fù)渑渲媒邮軉味溯斎胄盘?hào)，一些則接受差分信號(hào)。此外，選擇哪種放大器拓?fù)渥詈线m將取決于我們希望放大器輸出單端信號(hào)還是差分信號(hào)。
單端運(yùn)算放大器拓?fù)?/strong>
運(yùn)算放大器(op amp)是一種用途極其廣泛的放大器，最開(kāi)始的設(shè)計(jì)目的是完成計(jì)算器所需的各種運(yùn)算功能，因此而得名。如果是具有單端輸入和單端輸出的放大器電路，將使用由一對(duì)電阻提供適當(dāng)反饋的簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器電路。當(dāng)使用單端運(yùn)算放大器電路來(lái)放大高精度信號(hào)時(shí)，通常在同相放大器和反相放大器這兩種拓?fù)渲g進(jìn)行選擇（圖1）。這兩種電路均采用一個(gè)反饋電阻和一個(gè)增益電阻。
圖1.單端(a)同相放大器和(b)反相放大器。
圖2顯示了簡(jiǎn)單的單端輸入、單端輸出應(yīng)用。ADI TMP35溫度傳感器輸出的電壓與溫度成比例，靈敏度為10 mV/°C。然后，輸出信號(hào)連接到單端同相放大器電路，傳遞函數(shù)為VOUT = G × VIN，其中G是電路的閉環(huán)增益，等于1 + (R2/R1)。例如，要檢測(cè)0°C至50°C的溫度范圍，傳感器的滿(mǎn)量程輸出范圍將為10 mV/°C × 50°C = 500 mV。如果傳感器輸出要驅(qū)動(dòng)具有5 V滿(mǎn)量程輸入范圍的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，信號(hào)將需要按10 V/V的增益放大，以便利用ADC的整個(gè)輸入動(dòng)態(tài)范圍。這可通過(guò)同相運(yùn)算放大器電路實(shí)現(xiàn)，其中G = 1 + (9 kΩ/1 kΩ) = 10 V/V。
圖2.單端溫度傳感器輸出和同相放大器電路。
共模抑制
在放大器拓?fù)渲g選擇時(shí)，一個(gè)需要評(píng)估的關(guān)鍵因素是放大器電路有效抑制共模輸入電壓的能力（防止兩個(gè)輸入端所共有的信號(hào)電壓在輸出端表現(xiàn)出來(lái)），同時(shí)放大差模輸入電壓。共模抑制比(CMRR)是一個(gè)定量指標(biāo)，用于衡量放大器電路在這方面的能力。CMRR越高，輸出端的誤差就越小。CMRR通常表示為兩個(gè)增益之比：差模電壓增益(ADIFF)相對(duì)于共模電壓增益(ACM)的值，單位為dB。
回想一下，理想運(yùn)算放大器的輸入端之間存在虛短，施加于一個(gè)輸入端(+IN)的信號(hào)電壓也將出現(xiàn)在另一個(gè)輸入端(-IN)；這就是運(yùn)算放大器的共模電壓。現(xiàn)代運(yùn)算放大器的CMRR規(guī)格可達(dá)120 dB至140 dB，甚至更高。此級(jí)別的CMRR可使共模誤差保持在最低水平，從而在輸出端實(shí)現(xiàn)高精度。舉個(gè)例子，如果運(yùn)算放大器的CMRR規(guī)格為140 dB，僅0.00001%（或0.1 ppm）的運(yùn)算放大器輸入端共模電壓將出現(xiàn)在輸出端(VOUT)。對(duì)于最大輸入范圍為5 V的低壓運(yùn)算放大器，輸出端的最大共模誤差將僅為0.5 μV。但是，使用具有高輸入電壓范圍（例如50 V）的運(yùn)算放大器會(huì)導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)5 μV的誤差。這是否成為一個(gè)問(wèn)題，取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。如果共模誤差超出特定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可接受限度，則需要使用能夠最大限度減少這種誤差的電路。
在同相拓?fù)洌▓D1a）中，運(yùn)算放大器輸入+IN和–IN將等于信號(hào)輸入(VIN)，因此信號(hào)電壓的任何增加都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸入引腳處的共模電壓增加，并且輸出端的共模誤差也會(huì)增加。或者，考慮使用反相放大器電路（圖1b）。在此拓?fù)渲校?IN輸入（于是–IN輸入）接地。由于輸入共模電壓為0V，因此可以避免輸入端的任何共模電壓，以及由此產(chǎn)生的輸出端共模誤差。
差動(dòng)放大器
許多傳感器將其輸出呈現(xiàn)為差分信號(hào)，測(cè)量的物理特性由兩個(gè)電壓之差來(lái)表示。使用具有差分輸出的傳感器的一個(gè)好處是，具有差分輸入和高共模抑制規(guī)格的放大器可以抑制傳感器兩個(gè)輸出端出現(xiàn)的任何電壓，即共模電壓。
除了抑制傳感器輸出端的共模電壓，系統(tǒng)中的差模信號(hào)還有其他好處。一個(gè)好處是高共模抑制使系統(tǒng)更加穩(wěn)固，能夠抵抗電磁干擾(EMI)。外部EMI會(huì)將噪聲引入差模信號(hào)的兩個(gè)導(dǎo)體；差動(dòng)放大器會(huì)抑制這種共模噪聲，保留并放大目標(biāo)差模信號(hào)，從而獲得出色的信噪比(SNR)。差模信號(hào)的另一個(gè)好處在于，其幅度是單端信號(hào)的兩倍，這相當(dāng)于SNR增加了6 dB。輸出信號(hào)幅度加倍使差分輸入放大器在低電源電壓應(yīng)用中非常有用，在此類(lèi)應(yīng)用中，電壓范圍不足以允許大信號(hào)擺幅。
用于放大精密差模信號(hào)的基本拓?fù)涫遣顒?dòng)放大器（圖3）。差動(dòng)放大器接受差分輸入信號(hào)，抑制共模電壓(VCM)，放大差分輸入電壓(VDIFF)，并輸出與兩個(gè)輸入電壓之差成比例的放大單端信號(hào)。其傳遞函數(shù)為VOUT = G × (VDIFF)，其中VDIFF為(V2 – V1)，G為放大器電路的增益，等于比率(R2/R1)。
與單端放大器不同，共模電壓是電路的兩個(gè)輸入端（V1和V2）所共有的電壓，而不是運(yùn)算放大器輸入端+IN和–IN所共有的電壓。共模電壓定義為兩個(gè)輸入電壓的平均值，VCM = (V2 + V1)/2。例如，當(dāng)V1為5 V且V2為3 V時(shí)，共模輸入電壓將為4 V，差模電壓將為2 V。該2 V差模信號(hào)將在輸出端放大。
如前所述，帶有差分輸入的放大器的共模抑制比表示為CMRR = 20 × log10 (ADIFF/ACM)。請(qǐng)注意，由于差分增益(ADIFF)增加且共模增益(ACM)降低，共模抑制會(huì)隨著差分增益成比例改進(jìn)。這是一項(xiàng)重大優(yōu)勢(shì)，使我們能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的增益和更高的CMRR。另外需要注意的是，CMRR會(huì)隨著頻率的增加而降低，因此務(wù)必選擇在目標(biāo)信號(hào)頻率下具有所需抑制能力的差動(dòng)放大器。
圖3.差動(dòng)放大器電路。
電阻容差和放大器精度
差動(dòng)放大器電路的CMRR在很大程度上取決于R2/R1之比和R2’/R1’之比的匹配程度。當(dāng)放大器電路由分立元件組成時(shí)（如圖3所示），可能很難實(shí)現(xiàn)良好匹配。例如，精密運(yùn)算放大器的CMRR規(guī)格可達(dá)到140 dB或更高。但即便是理想的運(yùn)算放大器，假設(shè)有一個(gè)4電阻差動(dòng)放大器電路使用容差為0.1%的電阻且增益為1，如果在該電路中使用理想運(yùn)算放大器，該電路只能實(shí)現(xiàn)54 dB的最小CMRR。1 54 dB的CMRR大約相當(dāng)于僅9位ADC的精度。這對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能已經(jīng)足夠，但高精度應(yīng)用需要更好的CMRR，因此需要更好的電阻匹配。放大器電路的另一個(gè)重要規(guī)格是增益精度。若要放大信號(hào)以獲得特定增益，需要為R2、R1、R1'和R2'選擇特定的電阻值。任何偏離標(biāo)稱(chēng)電阻值的容差都會(huì)導(dǎo)致比率不匹配，從而造成增益誤差。由于所有電阻的阻值都隨著溫度而變化，因此增益溫漂會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。分立放大器電路的這些問(wèn)題可通過(guò)良好匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)緩解，例如電阻比匹配率為0.01%的ADI LT5400系列，或匹配率為0.003%的LT5401系列。
為了達(dá)到最高精度，所有這些挑戰(zhàn)（CMRR降低、增益誤差增加和增益溫漂增加）以及印刷電路板上的溫度梯度、寄生電容等其他問(wèn)題，都可以通過(guò)使用集成差動(dòng)放大器得到大幅緩解，其中放大器和電阻都置于單芯片集成電路(IC)上。由于每個(gè)IC上的電阻值在生產(chǎn)過(guò)程中都精確匹配，因此集成差動(dòng)放大器的CMRR規(guī)格非常高，且增益誤差非常低。此外，由于它們位于同一裸片上，并由相同的材料制成，每個(gè)電阻往往接近相同的溫度并具有相同的溫度系數(shù)，因此它們的阻值將在溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出類(lèi)似的變化，使得電阻比的變化非常小，因此增益溫漂也極低。許多集成差動(dòng)放大器的CMRR規(guī)格高達(dá)80 dB至90 dB，甚至更高，增益誤差為0.005%至0.02%，增益溫漂低至1 ppm/°C。
下面看看ADI的集成式LT1997-1差動(dòng)放大器，如圖4所示。該放大器的額定最小CMRR超過(guò)100 dB，十分出色，相當(dāng)于大約17位的精度。其典型增益誤差為±0.01%，典型增益溫漂超低，為±0.2 ppm/°C。一個(gè)額外的好處是，通過(guò)集成多個(gè)具有不同值的集成電阻，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可選擇針對(duì)不同增益進(jìn)行配置。對(duì)于LT1997-1，多個(gè)集成電阻允許針對(duì)從0.141 V/V到80 V/V的24個(gè)獨(dú)特放大（和衰減）增益進(jìn)行配置，且不使用外部元件。
圖4.LT1997-1集成差動(dòng)放大器（針對(duì)10 V/V的增益配置）。
通過(guò)差動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)
精密電流檢測(cè)是差動(dòng)放大器的一個(gè)熱門(mén)應(yīng)用，相關(guān)示例如圖5所示。流向負(fù)載的電流會(huì)流經(jīng)一個(gè)超低阻值的分流（檢測(cè)）電阻。分流電阻上的電壓與負(fù)載電流成正比。被檢測(cè)的電流會(huì)在分流電阻上產(chǎn)生成比例的小差模電壓。為了利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整個(gè)輸入電壓范圍，該小電壓會(huì)被放大。
圖5中的電路被稱(chēng)為高邊電流檢測(cè)，因?yàn)榉至麟娮璺胖茫ㄕ跍y(cè)量電流）在電源和負(fù)載之間；這不是低邊檢測(cè)，在低邊檢測(cè)中，分流電阻位于負(fù)載和地之間。高邊電流檢測(cè)有諸多優(yōu)勢(shì)，其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以在負(fù)載處檢測(cè)到對(duì)地短路。
對(duì)于高邊差模電流檢測(cè)，必須考慮兩個(gè)電壓：差模電壓(VDIFF)，即輸入V2和輸入V1之間的信號(hào)電壓（分流電阻上的電壓）；還有共模電壓(VCM)，存在于V2和V1上。在此示例中，運(yùn)算放大器的+IN輸入為電壓VSUPPLY（或VLOAD + VDIFF），運(yùn)算放大器的–IN輸入為電壓VLOAD（或VSUPPLY – VDIFF）。差動(dòng)放大器將放大差模電壓并抑制共模電壓。
圖5.使用差動(dòng)放大器放大精密差模信號(hào)。
在高邊電流檢測(cè)等許多應(yīng)用中，共模輸入電壓可能遠(yuǎn)大于差模電壓的幅度。事實(shí)上，共模輸入電壓通常遠(yuǎn)大于運(yùn)算放大器的電源電壓，有時(shí)高達(dá)數(shù)百伏。由于輸出端的共模誤差與輸入端的共模電壓成正比，因此具有極高共模輸入電壓的系統(tǒng)需要相應(yīng)的高CMRR，才能獲得精確的模擬輸出信號(hào)。差動(dòng)放大器的一個(gè)關(guān)鍵特性是，它能夠抑制高共模電壓，遠(yuǎn)超出電源電壓范圍。這是可能做到的，因?yàn)槊總€(gè)輸入端的電阻網(wǎng)絡(luò)會(huì)衰減輸入電壓V1和V2，直至運(yùn)算放大器輸入+IN和–IN在額定輸入電壓范圍內(nèi)。例如，ADI公司的AD8479接受±600 V的共模輸入電壓和±15 V的電源電壓。
電平轉(zhuǎn)換
差動(dòng)放大器電路的另一個(gè)好處是，它可以非常輕松地對(duì)輸出電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。為此，許多差動(dòng)放大器都包含基準(zhǔn)輸入。當(dāng)輸入端之間的差值為零時(shí)，向基準(zhǔn)輸入引腳施加電壓可將輸出設(shè)置為該電壓。借助此功能，我們能夠?qū)⒎糯笃鬏敵雠c選定的基準(zhǔn)電壓對(duì)齊，比如電源電壓的一半，以通過(guò)單電源進(jìn)行雙向檢測(cè)（圖6）；或ADC輸入電壓范圍的中點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳動(dòng)態(tài)范圍（圖7）。
圖6.電平轉(zhuǎn)換，使輸出電壓始終以電源電壓的一半為參考。
舉個(gè)例子，如果有一個(gè)信號(hào)在±2.5 V之間振蕩，并且目標(biāo)是將該信號(hào)饋入輸入電壓范圍為0 V至5 V的ADC，那么需要將信號(hào)集中于ADC滿(mǎn)量程輸入電壓范圍的一半，以便利用整個(gè)輸入范圍。圖7顯示了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的直接方法。或者，可以向兩個(gè)REF輸入引腳施加單電壓，以直接建立輸出偏置電壓。
圖7.電平轉(zhuǎn)換，使輸出以ADC基準(zhǔn)電壓的一半為參考。
電流檢測(cè)放大器
如前所述，單芯片差動(dòng)放大器適合許多應(yīng)用，其中一個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用是使用低阻值分流電阻進(jìn)行電流檢測(cè)。雖然差動(dòng)放大器適用于許多電流檢測(cè)應(yīng)用，但通過(guò)對(duì)電流檢測(cè)放大器提供的某些特性和規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化，其他應(yīng)用也可從中受益。這些專(zhuān)用放大器的架構(gòu)通常與差動(dòng)放大器不同。CSA往往使用高電壓輸入晶體管，以直接接受快速變化的大共模電壓，同時(shí)精確放大小的差模分流電壓（圖8），而不是使用輸入電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)衰減輸入電壓。
圖8.電流檢測(cè)放大器的示例。
在差動(dòng)放大器中，輸入差模信號(hào)在內(nèi)部由電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，然后放大到其原始輸入電平，再加上更多增益，從而在輸出端實(shí)現(xiàn)最終信號(hào)放大。將衰減的輸入恢復(fù)到原始信號(hào)幅度會(huì)消耗內(nèi)部放大器的部分增益帶寬積，為了獲得額外的增益而放棄一些帶寬。由于大多數(shù)CSA的高壓輸入晶體管不衰減信號(hào)，因此不需要增益來(lái)恢復(fù)信號(hào)幅度，并且內(nèi)部運(yùn)算放大器提供更多可用帶寬來(lái)放大信號(hào)。例如，AD8206差動(dòng)放大器的小信號(hào)-3 dB帶寬為100 kHz，而AD8210電流檢測(cè)放大器的帶寬為450 kHz。CSA的帶寬增加使其非常適合高頻應(yīng)用，或者適合在檢測(cè)快速電流瞬變時(shí)使用。
此外，與CMRR為80 dB至100 dB的大多數(shù)差動(dòng)放大器相比，CSA往往具有更高的共模抑制比，范圍在100 dB至120 dB，甚至更高。請(qǐng)注意，CSA的大帶寬有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是它不具備內(nèi)部衰減網(wǎng)絡(luò)，因此無(wú)法像差動(dòng)放大器一樣接受非常高的共模輸入電壓電平，但CSA共模電壓限值仍然非常高，介于80 V到100 V之間。
CSA通常用于測(cè)量大開(kāi)關(guān)電流。在負(fù)載的高邊測(cè)量開(kāi)關(guān)電流（即分流電阻上的差模電壓）時(shí)，分流電阻的共模電壓通常可以在接地和電源電壓之間快速變化。共模電壓的快速變化會(huì)在放大器輸入端引起大瞬變。這些共模電壓瞬變經(jīng)常會(huì)超過(guò)信號(hào)幅度。理想情況下，放大器產(chǎn)生的輸出僅反映放大的差模檢測(cè)電壓。實(shí)際上，共模階躍響應(yīng)可能出現(xiàn)在輸出端。CSA專(zhuān)門(mén)用于抑制此類(lèi)快速變化的共模電壓階躍產(chǎn)生的共模瞬態(tài)尖峰，因此非常適合對(duì)幅度快速變化的信號(hào)進(jìn)行電流檢測(cè)。
圖9顯示了ADI公司的AD8418 CSA所實(shí)現(xiàn)的階躍響應(yīng)和瞬態(tài)抑制。共模輸入電壓為15 V，放大器的輸入瞬變過(guò)沖共模電壓超出50%。產(chǎn)生的共模階躍響應(yīng)表現(xiàn)為僅36 mV的短暫輸出擾動(dòng)。
圖9.AD8418共模瞬態(tài)電壓響應(yīng)(VSUPPLY = 5 V)。
舉個(gè)例子，在典型的三相電機(jī)控制系統(tǒng)中測(cè)量相位電流時(shí)，會(huì)發(fā)生共模電壓快速切換，在該場(chǎng)景中，控制器將脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)驅(qū)動(dòng)到逆變器級(jí)，然后逆變器級(jí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的每一側(cè)（圖10）。分流電阻與電機(jī)并排放置。利用分流電阻上瞬時(shí)電流測(cè)量的差模電壓反饋，控制器能夠確定每個(gè)信號(hào)的相位。通過(guò)每個(gè)PWM脈沖，分流電阻上的共模電壓在V–和V+之間的整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)快速步進(jìn)。這些快速PWM步進(jìn)要求放大器具有高帶寬，且能夠在上升沿和下降沿抑制高瞬態(tài)過(guò)沖。ADI公司的AD8411A在輸入端集成了共模電壓范圍高達(dá)70 V的精密內(nèi)部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)，采用2.7 MHz高帶寬，并包含去毛刺電路，以通過(guò)降低快速開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出精度，因此非常適合這類(lèi)應(yīng)用。
圖10.三相電機(jī)控制電流測(cè)量。
儀表放大器
到目前為止討論的差分輸入放大器拓?fù)洌ú顒?dòng)放大器和電流檢測(cè)放大器）非常適合用于在廣泛應(yīng)用中放大差模信號(hào)，特別是在存在極高共模電壓的情況下。對(duì)于需要在高共模電壓中（包括噪聲）以高精度放大極小信號(hào)的應(yīng)用，使用具有更高精度的放大器必不可少。儀表放大器(in-amps)專(zhuān)為這些嚴(yán)苛的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
與儀表放大器相比，差動(dòng)放大器的一個(gè)潛在局限是輸入阻抗相對(duì)較低。另一個(gè)局限是每個(gè)放大器輸入的阻抗不相等。要了解這些局限的影響，可參考惠斯通電橋（圖11）中的差模信號(hào)(V2 – V1)放大，這種配置廣泛用于各種傳感器。首先要考慮的是，許多電橋的輸出阻抗較高，卻要驅(qū)動(dòng)相對(duì)較低的放大器輸入阻抗，這可能是個(gè)問(wèn)題。例如，當(dāng)電橋輸出阻抗為4 k?，差動(dòng)放大器輸入阻抗為200 k?時(shí)，其輸出阻抗上將損失2%的傳感器信號(hào)，這將導(dǎo)致測(cè)量精度降低。第二個(gè)要考慮的是，差動(dòng)放大器的輸入阻抗不相等，這將導(dǎo)致電橋電路兩側(cè)的壓降不同，從而產(chǎn)生差模電壓誤差。為了解決這些問(wèn)題，所使用的放大器需要具有更高的輸入阻抗，在電橋輸出上呈現(xiàn)平衡負(fù)載，并具有出色的CMRR。這些都是儀表放大器的主要特性和優(yōu)點(diǎn)。
圖11.惠斯通電橋
觀察經(jīng)典的3運(yùn)算放大器儀表放大器（圖12a），兩個(gè)運(yùn)算放大器A1和A2組成第一級(jí)（稱(chēng)為前置放大器級(jí)），第三個(gè)運(yùn)算放大器A3用于第二級(jí)（稱(chēng)為減法器）。減法器級(jí)可識(shí)別為熟悉的差動(dòng)放大器拓?fù)洹７糯笃鰽1和A2提供平衡且極高的輸入阻抗。此外，它們會(huì)放大差模輸入電壓，而將共模電壓直接傳遞而不進(jìn)行放大。A3處的減法器級(jí)會(huì)抑制共模電壓，并將放大的差模電壓傳遞至輸出端。這種拓?fù)涞牧硪粋€(gè)特性是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)單個(gè)外部電阻(RG)設(shè)置增益，因而無(wú)需匹配分立電阻比。這種拓?fù)浞浅＿m合用于放大非常小的信號(hào)并抑制高共模電壓。該儀表放大器的傳遞函數(shù)為VOUT = G × (VDIFF) + VREF，其中VDIFF為(V+IN – V+IN)，G是儀表放大器的增益，VREF是施加到REF輸入端的電壓，用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行電平搬移。
與差動(dòng)放大器一樣，集成儀表放大器（圖12b）也受益于單芯片裸片上精確匹配的電阻。雖然集成差動(dòng)放大器的共模抑制范圍可能介于90 dB至100 dB之間，但許多儀表放大器的CMRR規(guī)格可達(dá)130 dB至140 dB，甚至更高。這得益于儀表放大器的大差模增益。在前面的電橋示例中，假設(shè)電橋源電阻為4 kΩ，而ADI AD8422儀表放大器的輸入電阻為200 GΩ，源信號(hào)損耗非常小，為0.000002% (0.02 ppm)。此外，儀表放大器的輸入偏置電流往往遠(yuǎn)低于差動(dòng)放大器。因此，當(dāng)輸入偏置電流流過(guò)任何源電阻時(shí)，產(chǎn)生的電壓誤差將較小。
圖12.(a) 3運(yùn)算放大器儀表放大器拓?fù)浜?b)單芯片儀表放大器集成電路。
全差分放大器
前文探索了具有單輸入和差分輸入的放大器拓?fù)洌@些拓?fù)渚哂袉味溯敵觥Ｔ诰苄盘?hào)放大器電路設(shè)計(jì)中，可能需要生成差分輸出信號(hào)。具有差分輸入和差分輸出的放大器被稱(chēng)為全差分放大器（有時(shí)縮寫(xiě)為FDA或diff-amp）。集成FDA用途廣泛，能夠放大單端或差分輸入信號(hào)。在抑制輸入共模電壓、放大差分輸入電壓和提供差分輸出信號(hào)方面，F(xiàn)DA均表現(xiàn)出色。通過(guò)為基準(zhǔn)輸入引腳施加所需的電壓電平，可確定輸出共模電壓(VOCM)。
圖13.全差分放大器驅(qū)動(dòng)高精度ADC（參考電路筆記CN-0310）。
FDA的一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)高性能ADC的差分輸入。在這種情況下，F(xiàn)DA可用于將小輸入信號(hào)放大到ADC的輸入電壓范圍內(nèi)，或?qū)⒋筝斎胄盘?hào)衰減到ADC的輸入電壓范圍內(nèi)。圖13顯示了ADI公司的AD8475FDA接收來(lái)自傳感器的差分輸入信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)24位、250 kSPS Σ-Δ ADC（AD7176-2）的差分輸入。在該應(yīng)用中，放大器的VOCM輸入由ADC的基準(zhǔn)輸出驅(qū)動(dòng)，以將共模電壓設(shè)置為適合ADC輸入動(dòng)態(tài)范圍的電平。
FDA的另一個(gè)普遍應(yīng)用是將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)。許多傳感器會(huì)輸出高精度單端信號(hào)。在放大或衰減信號(hào)并隨后驅(qū)動(dòng)差分ADC輸入時(shí)，需要將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。FDA非常適合執(zhí)行此類(lèi)任務(wù)。圖14顯示了這種配置，將一個(gè)放大器輸入接地，并使用單端信號(hào)驅(qū)動(dòng)另一個(gè)輸入。除了調(diào)理ADC差分輸入的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為差分輸出還能夠使信號(hào)幅度加倍(6 dB)，從而提高SNR并優(yōu)化數(shù)字化信號(hào)的有效分辨率。
圖14.單端至差分信號(hào)轉(zhuǎn)換。
結(jié)論
對(duì)于精密信號(hào)調(diào)理電路，放大器拓?fù)涞倪x擇取決于多個(gè)考慮因素。一些優(yōu)先考慮因素包括信號(hào)類(lèi)型（單端或差分）、信號(hào)源阻抗（例如，傳感器）、所需的共模抑制和增益精度。通過(guò)利用本文中介紹的各種放大器拓?fù)洌饧覣DI公司提供的采用所有這些拓?fù)涞姆糯笃鳎到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒑线m的放大器與自身的應(yīng)用相匹配，從而實(shí)現(xiàn)理想的系統(tǒng)性能。
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作者簡(jiǎn)介
Daniel Burton是ADI公司中心應(yīng)用部門(mén)的資深應(yīng)用工程師。在職業(yè)生涯的大部分時(shí)間里，他一直負(fù)責(zé)檢測(cè)應(yīng)用、精密信號(hào)鏈應(yīng)用及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面的工作。Daniel于2010年加入ADI公司。他畢業(yè)于圣何塞州立大學(xué)，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。
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