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_小狼个人主页

关键词：差分运放器仪表放大器模拟小信号

前言

近日，电子圈卷起一股小信号前端处理热潮，各种小信号前端被讨论得如火如荼，比如：如何用极低的成本做PT100的采样，化学催化剂信号如何放大等等。对于小信号前端，确定测量范围、如何抑制噪声、提高信噪比，我借这个话题在此跟大家共同探讨。

运算放大器结构探秘

大学模拟电子课上，老师反复强调：理想运放的增益无穷大，分析运放，首先注意虚断和虚短，我们都坚决贯彻老师的说教，然而，忽略了其他一些比较重要的概念：比如共模抑制比、失调电压、偏置电流等。

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

上学时，老师一直强调，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，这是怎么一回事呢？

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。

于是又引入反馈，做闭环，同相反相端的电压差忽略不计。如同撑杠杆，小臂微微一动，大臂不住晃动。

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。

举个例子，有人在高铁车厢内做过一个实验，竖着摆放一排硬币，不管车速多快，硬币都立得很稳。这好比共模信号，外面环境怎样变化，信号不受影响。差模信号呢，就像人在车厢里来回走动，只要正常范围内，都不受到外界的干扰。

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，往往会面临一个令人疑惑的问题，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？部分的意见采低边，部分人的意见是采高边，大家各抒己见，莫衷一是。

舞台看戏，下层的演员多，而且间杂观众，很容易被遮挡，被观众淹没；楼上的明显好得多，容易被分辨，楼层越高，成本也更高，修楼费工时、造价不便宜！

差分放大器介绍

一个不太形象的比喻，你在崎岖的山路上，提着满满的行李，追赶一辆高速运行的火车，你需要跑到车头找到你的座位，你会觉得非常吃力，大概率你还追不上；如果你已经上车了，站在车上，你会感觉很稳定，车尾车头来回走，也会很轻松。

这跟共模干扰比较类似，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，由于布局布线引起的EMI和共模干扰、温度漂移、等等。把传感器比喻做携带行李的旅客，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。由于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。