被完全誤解的三運(yùn)放儀表放大器

1、被完全誤解的三運(yùn)放儀表放大器時(shí)間：2010-06-24 04:22:28 來(lái)源： 作者：Bonnie C. Baker德州儀器(TI) 圖1所示的三運(yùn)放儀表放大器看似為一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗褂靡呀?jīng)存在了幾十年的基本運(yùn)算放大器(op amp)來(lái)獲得差動(dòng)輸入信號(hào)。運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓誤差不難理解。運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益的定義沒(méi)有改變。運(yùn)算放大器共模抑制(CMR)的簡(jiǎn)單方法自運(yùn)算放大器時(shí)代之初就已經(jīng)有了。那么，問(wèn)題出在哪里呢？ 圖1：三運(yùn)放儀表放大器，其VCM為共模電壓，而VDIFF為相同儀表放大器的差動(dòng)輸入。單運(yùn)算放大器和儀表放大器的共享CMR方程式如下： 本方程式中，G相當(dāng)于系統(tǒng)增益，VCM為

2、相對(duì)于接地電壓同樣施加于系統(tǒng)輸入端的變化電壓，而VOUT為相對(duì)于變化VCM值的系統(tǒng)輸出電壓變化。 在CMR方面，運(yùn)算放大器的內(nèi)部活動(dòng)很簡(jiǎn)單，其失調(diào)電壓變化是唯一的問(wèn)題。就儀表放大器而言，有兩個(gè)影響器件CMR的因素。第一個(gè)也是最重要的因素是，涉及第三個(gè)放大器（圖1，A3）電阻比率的平衡問(wèn)題。例如，如果R1等于R3，R2等于R4，則理想狀況下的三運(yùn)放儀表放大器CMR為無(wú)窮大。然而，我們還是要回到現(xiàn)實(shí)世界中來(lái)，研究R1、R2、R3 和R4與儀表放大器CMR的關(guān)系。 具體而言，將R1：R2同R3：R4匹配至關(guān)重要。結(jié)合A3，這4個(gè)電阻從A1和A2的輸出減去并增益信號(hào)。電阻比之間的錯(cuò)配會(huì)在A3輸出端形成

3、誤差。方程式2在這些電阻關(guān)系方面會(huì)形成CMR誤差： 例如，如果R1、R2、R3和R4接近相同值，且R3：R4等于R1/R2的1.001，則該0.1%錯(cuò)配會(huì)帶來(lái)儀表放大器CMR的降低，從理想水平降至66dB級(jí)別。 根據(jù)方程式1，儀表放大器CMR隨系統(tǒng)增益的增加而增加。這是一個(gè)非常好的特性。方程式1可能會(huì)激發(fā)儀表放大器設(shè)計(jì)人員確保有許多可用增益，但是這種方法存在一定的局限性。A1和A2開(kāi)環(huán)增益誤差和噪聲。放大器的開(kāi)環(huán)增益等于20log(VOUT/VOS)。隨著A1和A2增益的增加，放大器開(kāi)環(huán)增益失調(diào)誤差也隨之增加。A1和A2的輸出振幅變化一般涵蓋電源軌。儀表放大器增益更高的情況下，運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)

4、增益誤差和噪聲占主導(dǎo)。通過(guò)RSS公式，這些誤差降低了更高增益下的儀表CMR。因此，您會(huì)看到儀表放大器的CMR性能值往往會(huì)在更高增益時(shí)達(dá)到最大值。 因此，從CMR角度來(lái)看，儀表放大器就像是一個(gè)在不同系統(tǒng)增益下器件各部分都誘發(fā)CMR誤差的系統(tǒng)。當(dāng)您對(duì)器件的內(nèi)部原理進(jìn)行研究時(shí)，它便不再如此神秘。您把各個(gè)部分都分開(kāi)來(lái)，就會(huì)一目了然。實(shí)用噪聲放大器原理時(shí)間：2010-06-23 12:14:46 來(lái)源： 作者：IC的噪聲有兩種類(lèi)型：一種是外部噪聲，來(lái)源于IC外部；另一種是內(nèi)部噪聲，來(lái)源于器件本身。外部噪聲一些工程師認(rèn)為外部噪聲不應(yīng)該被稱(chēng)為噪聲，因?yàn)樗皇请S機(jī)產(chǎn)生的，使用“干擾”一詞也許更恰當(dāng)。首先，簡(jiǎn)單

5、談?wù)勅N外部噪聲的主要來(lái)源：RFI耦合環(huán)境中充斥著各種電磁波，雖然這些射頻干擾信號(hào)通常在目標(biāo)帶寬以外，但器件的非線(xiàn)性有時(shí)會(huì)調(diào)整這些信號(hào)，將其帶入目標(biāo)區(qū)域中。特別是連接傳感器的引線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)，噪聲一般會(huì)從輸入引線(xiàn)進(jìn)入電路。抑制射頻干擾的辦法包括：輸入端濾波、屏蔽和采用雙絞線(xiàn)輸入。電源噪聲電子電路抑制電源線(xiàn)信號(hào)的能力有限，尤其是頻率較高時(shí)，因此必須先消除電源線(xiàn)上的高頻干擾，使其無(wú)法到達(dá)低噪聲電路?？梢詫?duì)電源進(jìn)行適當(dāng)濾波以及IC本身采取良好的旁路措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。敏感模擬電路與數(shù)字邏輯應(yīng)采用不同的電源，至少應(yīng)深度濾波。接地環(huán)路我們經(jīng)?？梢詮脑韴D上看到很多的接地符號(hào)，但必須注意，在實(shí)際電路中任何兩點(diǎn)的電位都不

6、可能完全相等，電流會(huì)流經(jīng)地線(xiàn)，從而產(chǎn)生電位差。必須考慮電流如何流動(dòng)，并將高電流路徑與敏感電路隔離。例如，實(shí)用新型接地配置，或者將模擬地層與數(shù)字地層接在一個(gè)點(diǎn)上。內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲來(lái)源于信號(hào)鏈中的電路元件，IC數(shù)據(jù)手冊(cè)中相關(guān)的性能規(guī)格就是針對(duì)這種噪聲。典型的內(nèi)部噪聲源包括傳感器、電阻、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。電阻噪聲電阻噪聲分為兩類(lèi)：一是內(nèi)部熱噪聲，這種噪聲與電阻構(gòu)造無(wú)關(guān)，僅取決于總電阻、溫度和帶寬，它與所施加的信號(hào)無(wú)關(guān)；二是附加電流噪聲，通常被稱(chēng)為過(guò)量噪聲，它取決于電阻的構(gòu)造，與熱噪聲不同，電阻電流噪聲與所施加的電壓有關(guān)。薄膜電阻和繞線(xiàn)電阻具有出色的電流噪聲性能，其噪聲主要是內(nèi)部熱噪聲。炭核電阻則不

7、然，一般認(rèn)為其噪聲性能較差，在之后的討論中我們將假設(shè)在低噪聲設(shè)計(jì)中使用高質(zhì)量薄膜電阻，因此可以忽略電流噪聲，只專(zhuān)注于熱噪聲。理想電阻的熱噪聲公式為：可以看出，熱噪聲取決于溫度、電阻、帶寬和波爾茲曼常數(shù)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，并不要求記住這個(gè)公式，因?yàn)槲覀冇幸粋€(gè)非常方便的速算法。討論噪聲時(shí)，平方根符號(hào)會(huì)一再出現(xiàn)，公式中含有一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，即波爾茲曼常數(shù)k。第二項(xiàng)是溫度，請(qǐng)注意，噪聲隨溫度升高而增大，此溫度的單位為k，因此溫度對(duì)噪聲的影響可能不如想象那般大。多數(shù)工程師會(huì)忽略溫度對(duì)噪聲的影響，請(qǐng)記住你所看到的噪聲規(guī)格僅針對(duì)室溫有效。第三項(xiàng)是電阻值，最后一項(xiàng)是帶寬。應(yīng)該記住這個(gè)公式，1k電阻在室溫下的熱噪聲為，

8、即無(wú)論從事何種噪聲相關(guān)工作，這一算式都將使您永遠(yuǎn)受益。這個(gè)速算公式可以方便地應(yīng)用于其他電阻值。放大器噪聲圖1所示為放大器噪聲模型。放大器噪聲分為兩類(lèi)：一種是電壓噪聲（VX），另一種是電流噪聲（IX）。在實(shí)際電路中，放大器由許多晶體管組成，所有這些晶體管都有噪聲。幸運(yùn)的是，所有晶體管的噪聲都可以折合到放大器的輸入端。圖1 放大器噪聲模型電壓噪聲規(guī)格在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，通常以?xún)煞N方式表示，分別是和。查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲特性時(shí)，必須了解它是被折合到輸入端還是輸出端。大部分放大器的噪聲特性被折合到輸入端，對(duì)于運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)，這幾乎是默認(rèn)的習(xí)慣算法。但對(duì)于其他類(lèi)型的固定增益放大器（如差動(dòng)放大器），噪聲可能

9、被折合到輸出端。請(qǐng)注意，這種輸入噪聲會(huì)被放大器放大。例如，對(duì)于同相增益為10的放大器，輸出端的噪聲將是指標(biāo)中給出的噪聲的10倍。一些電路配置的噪聲增益可能大于信號(hào)增益，反相配置就是一個(gè)很好的例子。信號(hào)增益為-1的反相配置，其噪聲增益實(shí)際上為2。為了確定實(shí)際噪聲增益，請(qǐng)將所有外部電壓源短路，同時(shí)可以將噪聲放大器的RTI噪聲看做出現(xiàn)在放大器正輸入端的噪聲，如果以這一假設(shè)分析電路，應(yīng)當(dāng)能夠確定噪聲所接受的增益。儀表放大器的噪聲特性與運(yùn)算放大器稍有不同，對(duì)于運(yùn)算放大器，所有內(nèi)部晶體管噪聲都可以折合到輸入端，換言之，所有噪聲源都會(huì)按增益比例縮放。儀表放大器則不然，電路中的一些噪聲會(huì)按增益比例進(jìn)行縮放，其

10、他噪聲則與增益無(wú)關(guān)，這里與增益噪聲相關(guān)的噪聲量顯示為eNI，與增益無(wú)關(guān)的噪聲量顯示為eNO。數(shù)據(jù)手冊(cè)中有二者關(guān)系公式。除電壓噪聲外，放大器還具有電流噪聲。如果輸入端有電阻，電流噪聲將與之相互作用，產(chǎn)生電壓噪聲。譬如，大多數(shù)源電壓具有一定的電阻。畢竟，將高阻抗信號(hào)源轉(zhuǎn)換為低阻抗信號(hào)源是使用運(yùn)算放大器的原因之一。電流噪聲流經(jīng)與放大器相連的電阻，產(chǎn)生電壓噪聲。一般來(lái)說(shuō)，放大器的輸入偏置電流越高，則電流噪聲越高。圖2顯示具有一定源電阻的電壓跟隨器配置，運(yùn)算放大器的電流噪聲會(huì)與信號(hào)源電阻相互作用，在輸出端產(chǎn)生一定的額外噪聲。圖3顯示反饋路徑中的電阻如何與電流噪聲相互作用，電流噪聲流經(jīng)反饋電阻的并聯(lián)組合，

11、在輸入端產(chǎn)生一個(gè)額外噪聲源，然后此噪聲源經(jīng)放大器放大到達(dá)輸出端。圖2 具有一定源電阻的電壓跟隨器配置圖3 反饋路徑中電阻與電流噪聲的相互作用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）噪聲有時(shí)候模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)據(jù)手冊(cè)以Vrms或VP-P的形式提供噪聲特性，但大多數(shù)情況下，該特性用噪聲相對(duì)于ADC最大滿(mǎn)量程的關(guān)系來(lái)表示，規(guī)定為信噪比（SNR）。數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲指標(biāo)，偶爾也包括失真特性及信納比。緊急情況下，可以使用文中提供的理想公式，但這是理論限值，永遠(yuǎn)比實(shí)際值要好。這里的公式顯示ADC的SNR數(shù)值與Vrms數(shù)值之間的換算關(guān)系，以便比較ADC與放大器的噪聲。有一點(diǎn)必須注意，要確保使用ADC最大輸入范圍內(nèi)的均方根噪聲

12、。峰峰值噪聲和RMS噪聲峰峰值噪聲Vrms指波形中波峰與波谷點(diǎn)之間的距離，它僅取決于兩個(gè)點(diǎn)，有利也有弊。有利的一面是非常容易計(jì)算，只需將最大點(diǎn)減去最小點(diǎn)；不利的一面是復(fù)驗(yàn)性不強(qiáng)，不太精確。噪聲是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，因此，這種測(cè)量實(shí)際上依賴(lài)于噪聲波形的極值。采集數(shù)據(jù)的時(shí)間越長(zhǎng)，則越有可能獲得極值。均方根值噪聲使用波形中的所有點(diǎn)，比峰峰值噪聲精確得多，測(cè)量的點(diǎn)越多，均方根數(shù)值越精確。不利的一面是，由于要使用所有點(diǎn)，因此計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。關(guān)于峰峰值和均方根值測(cè)量有一點(diǎn)需要注意，它們會(huì)隨帶寬發(fā)生較大變化，對(duì)于同一放大器，帶寬越低，噪聲也越低。圖4清楚顯示了這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，我們測(cè)量了儀表放大器AD8222在多個(gè)不

13、同帶寬時(shí)的噪聲，可以清楚的看到帶寬對(duì)于噪聲的影響之大。帶寬每提高十倍，噪聲增加三倍。由于這些測(cè)量依賴(lài)于帶寬，因此有幾點(diǎn)需要注意：首先，需要了解電路的帶寬特性，需要確保測(cè)量?jī)x器的帶寬高于電路的帶寬，只有這樣，才能獲得精確的讀數(shù)。此外，使用數(shù)字萬(wàn)用表時(shí)，規(guī)定均方根值噪聲或峰峰值噪聲時(shí)，同時(shí)必須明確特定的帶寬。對(duì)于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，帶寬為0.1Hz至10Hz頻帶。圖4 AD8222在多個(gè)不同帶寬時(shí)的噪聲頻譜密度圖使均方根測(cè)量更進(jìn)一步，它實(shí)際上是將噪聲測(cè)量分為不同的區(qū)間，這樣便可以明確哪些頻率具有較多的噪聲成分。圖5來(lái)自AD8295數(shù)據(jù)手冊(cè)，顯示了許多測(cè)量的平均組合值。由于頻譜密度圖將測(cè)量分為許多區(qū)間

14、，因此需要大量的數(shù)據(jù)才能獲得一張清晰的圖。圖5 AD8295的頻譜密度圖在較低頻率時(shí)，大多數(shù)放大器的噪聲曲線(xiàn)會(huì)斜升，噪聲密度與頻率成反比，因此將它稱(chēng)為1/f噪聲。如果沿1/f斜率畫(huà)一條直線(xiàn)，與水平噪聲線(xiàn)相交，就可以得到1/f轉(zhuǎn)折頻率。噪聲計(jì)算噪聲的加法規(guī)則為噪聲的平方和，假設(shè)噪聲源不相關(guān)，這一假設(shè)在絕大多數(shù)情況下是成立的，噪聲的乘法和除法規(guī)則與一般信號(hào)相同。第一，在噪聲計(jì)算時(shí)，有幾點(diǎn)需要注意：室溫下，1k電阻對(duì)應(yīng)于的噪聲，這一速算公式可以方便地應(yīng)用于其他電阻值，只需乘以電阻的平方根。第二，在對(duì)信號(hào)源求和時(shí)，可以忽略較小的項(xiàng)。噪聲加法規(guī)則為平方和，如果一個(gè)噪聲信號(hào)只有主導(dǎo)噪聲信號(hào)的1/5，則其貢

15、獻(xiàn)的額外噪聲只有1/25。第三點(diǎn)是對(duì)第一點(diǎn)的擴(kuò)展，如果第一增益級(jí)的增益足夠大，則可以忽略其后的一切噪聲。低噪聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技巧低噪聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)竅門(mén)是在前級(jí)應(yīng)用中盡可能多的增益，圖6顯示的是一個(gè)放大器前端的兩個(gè)例子，增益為10?？梢钥闯?，將所有增益應(yīng)用于第一級(jí)，比將增益分布于兩級(jí)要好得多。請(qǐng)注意，有時(shí)最佳帶寬性能的要求可能與最佳噪聲性能的要求相沖突。對(duì)于帶寬，我們希望每個(gè)增益級(jí)具有近似的增益，而對(duì)于噪聲，我們則希望第一級(jí)具有全部的增益。圖6 放大器前端第二個(gè)竅門(mén)是注意源阻抗。這樣做有兩個(gè)原因：第一，源阻抗越大，則系統(tǒng)噪聲越大；第二，放大器必須與源阻抗匹配良好，如果源阻抗較高，電流噪聲噪聲特性

16、可能比電壓噪聲特性更重要。第三個(gè)竅門(mén)是要注意反饋電阻，如果選擇超低噪聲運(yùn)算放大器，卻使用很大的反饋電阻，則不可能實(shí)現(xiàn)低噪聲電路，在同相（圖7）或反相配置中，注意反饋電阻相當(dāng)于折合到輸出端的噪聲源。而其他電阻則相當(dāng)于輸入端的電壓源，更準(zhǔn)確的說(shuō)，是反相配置輸入端的電壓源。前文已經(jīng)談到，設(shè)計(jì)低噪聲系統(tǒng)時(shí)，第一級(jí)應(yīng)用有高增益，這種情況下Rg噪聲占主導(dǎo)地位。圖7 同相運(yùn)算放大器的噪聲模型差動(dòng)放大器構(gòu)成精密電流源的核心 時(shí)間：2010-06-23 10:52:22 來(lái)源： 作者：趙延輝、Reem Malik、廖文帥許多應(yīng)用利用精密電流源提供恒定電流，包括工業(yè)過(guò)程控制、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品。例如

17、，過(guò)程控制系統(tǒng)利用電流源提供電阻溫度檢測(cè)器(RTD)所需的激勵(lì)電流；數(shù)字萬(wàn)用表利用電流源測(cè)量未知電阻、電容和二極管；長(zhǎng)距離信息傳輸廣泛使用電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)4mA至20mA電流環(huán)路。圖1 差動(dòng)放大器和運(yùn)算放大器構(gòu)成精密電流源精密電流源傳統(tǒng)上采用運(yùn)算放大器、電阻和其它分立器件構(gòu)建，但存在尺寸、精度和溫度漂移等方面的不足?，F(xiàn)在，高精度、低功耗、低成本集成差動(dòng)放大器（例如AD8276）的出現(xiàn)，使得尺寸更小、性能更高的電流源變成現(xiàn)實(shí)，如圖1所示。反饋緩沖器使用低失調(diào)、低偏置電流放大器，例如AD8538、AD8603、AD8605、AD8628、AD8655、AD8661、AD8663、OP177或OP117

18、7，具體取決于所需電流范圍。輸出電流可以通過(guò)下式計(jì)算：最大輸出電流受以下因素限制：運(yùn)算放大器輸入范圍、差動(dòng)放大器輸出范圍以及差動(dòng)放大器SENSE引腳電壓范圍。必須滿(mǎn)足下列三個(gè)條件： SENSE引腳可以耐受幾乎為電源兩倍的電壓，因此第二個(gè)限制條件相當(dāng)寬松。2.5V至36V的寬電源電壓范圍使得AD8276成為許多應(yīng)用的理想之選。A級(jí)和B級(jí)的最大增益誤差分別為0.05%和0.02%，因此電流源精度最高可達(dá)0.02%。配置變化對(duì)于可以接受稍大誤差的低成本應(yīng)用，可以移除反饋緩沖器以簡(jiǎn)化電路，如圖2所示。圖2 去掉反饋放大器的簡(jiǎn)化電路如果所需輸出電流小于AD8276的輸出能力15 mA，則可去掉升壓晶體管，如圖3所示。如果低電流和降低精度均能接受，則可采用更為簡(jiǎn)單的低成本配置，如圖4所示。圖3 針對(duì)低電流應(yīng)用的簡(jiǎn)化電路圖4 針對(duì)低成本、低電流應(yīng)用的簡(jiǎn)化電路圖5所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用于高電流、高精度應(yīng)用，運(yùn)算放大器輸入范圍無(wú)限制。圖5 差動(dòng)放大器和匹配電阻構(gòu)成精密電流源外部電阻R1和R2應(yīng)具有超高精度和匹配度，否則輸出電流將隨負(fù)載而變化，由此產(chǎn)生的誤差無(wú)法通過(guò)軟件來(lái)校正。外圍器件 輸入電壓VREF可以是DAC輸出、基準(zhǔn)電壓源或傳感器輸出。如果需要可編程電流源，推薦使用