被完全误解的三运放仪表放大器

1、被完全误解的三运放仪表放大器时间：2010-06-24 04:22:28 来源： 作者：Bonnie C. Baker德州仪器(TI) 图1所示的三运放仪表放大器看似为一种简单的结构，因为它使用已经存在了几十年的基本运算放大器(op amp)来获得差动输入信号。运算放大器的输入失调电压误差不难理解。运算放大器开环增益的定义没有改变。运算放大器共模抑制(CMR)的简单方法自运算放大器时代之初就已经有了。那么，问题出在哪里呢？ 图1：三运放仪表放大器，其VCM为共模电压，而VDIFF为相同仪表放大器的差动输入。单运算放大器和仪表放大器的共享CMR方程式如下： 本方程式中，G相当于系统增益，VCM为

2、相对于接地电压同样施加于系统输入端的变化电压，而VOUT为相对于变化VCM值的系统输出电压变化。 在CMR方面，运算放大器的内部活动很简单，其失调电压变化是唯一的问题。就仪表放大器而言，有两个影响器件CMR的因素。第一个也是最重要的因素是，涉及第三个放大器（图1，A3）电阻比率的平衡问题。例如，如果R1等于R3，R2等于R4，则理想状况下的三运放仪表放大器CMR为无穷大。然而，我们还是要回到现实世界中来，研究R1、R2、R3 和R4与仪表放大器CMR的关系。 具体而言，将R1：R2同R3：R4匹配至关重要。结合A3，这4个电阻从A1和A2的输出减去并增益信号。电阻比之间的错配会在A3输出端形成

3、误差。方程式2在这些电阻关系方面会形成CMR误差： 例如，如果R1、R2、R3和R4接近相同值，且R3：R4等于R1/R2的1.001，则该0.1%错配会带来仪表放大器CMR的降低，从理想水平降至66dB级别。 根据方程式1，仪表放大器CMR随系统增益的增加而增加。这是一个非常好的特性。方程式1可能会激发仪表放大器设计人员确保有许多可用增益，但是这种方法存在一定的局限性。A1和A2开环增益误差和噪声。放大器的开环增益等于20log(VOUT/VOS)。随着A1和A2增益的增加，放大器开环增益失调误差也随之增加。A1和A2的输出振幅变化一般涵盖电源轨。仪表放大器增益更高的情况下，运算放大器的开环

4、增益误差和噪声占主导。通过RSS公式，这些误差降低了更高增益下的仪表CMR。因此，您会看到仪表放大器的CMR性能值往往会在更高增益时达到最大值。 因此，从CMR角度来看，仪表放大器就像是一个在不同系统增益下器件各部分都诱发CMR误差的系统。当您对器件的内部原理进行研究时，它便不再如此神秘。您把各个部分都分开来，就会一目了然。实用噪声放大器原理时间：2010-06-23 12:14:46 来源： 作者：IC的噪声有两种类型：一种是外部噪声，来源于IC外部；另一种是内部噪声，来源于器件本身。外部噪声一些工程师认为外部噪声不应该被称为噪声，因为它不是随机产生的，使用“干扰”一词也许更恰当。首先，简单

5、谈谈三种外部噪声的主要来源：RFI耦合环境中充斥着各种电磁波，虽然这些射频干扰信号通常在目标带宽以外，但器件的非线性有时会调整这些信号，将其带入目标区域中。特别是连接传感器的引线较长时，噪声一般会从输入引线进入电路。抑制射频干扰的办法包括：输入端滤波、屏蔽和采用双绞线输入。电源噪声电子电路抑制电源线信号的能力有限，尤其是频率较高时，因此必须先消除电源线上的高频干扰，使其无法到达低噪声电路。可以对电源进行适当滤波以及IC本身采取良好的旁路措施来实现。敏感模拟电路与数字逻辑应采用不同的电源，至少应深度滤波。接地环路我们经常可以从原理图上看到很多的接地符号，但必须注意，在实际电路中任何两点的电位都不

6、可能完全相等，电流会流经地线，从而产生电位差。必须考虑电流如何流动，并将高电流路径与敏感电路隔离。例如，实用新型接地配置，或者将模拟地层与数字地层接在一个点上。内部噪声内部噪声来源于信号链中的电路元件，IC数据手册中相关的性能规格就是针对这种噪声。典型的内部噪声源包括传感器、电阻、放大器和模数转换器。电阻噪声电阻噪声分为两类：一是内部热噪声，这种噪声与电阻构造无关，仅取决于总电阻、温度和带宽，它与所施加的信号无关；二是附加电流噪声，通常被称为过量噪声，它取决于电阻的构造，与热噪声不同，电阻电流噪声与所施加的电压有关。薄膜电阻和绕线电阻具有出色的电流噪声性能，其噪声主要是内部热噪声。炭核电阻则不

7、然，一般认为其噪声性能较差，在之后的讨论中我们将假设在低噪声设计中使用高质量薄膜电阻，因此可以忽略电流噪声，只专注于热噪声。理想电阻的热噪声公式为：可以看出，热噪声取决于温度、电阻、带宽和波尔兹曼常数。但在实际设计中，并不要求记住这个公式，因为我们有一个非常方便的速算法。讨论噪声时，平方根符号会一再出现，公式中含有一个常数项，即波尔兹曼常数k。第二项是温度，请注意，噪声随温度升高而增大，此温度的单位为k，因此温度对噪声的影响可能不如想象那般大。多数工程师会忽略温度对噪声的影响，请记住你所看到的噪声规格仅针对室温有效。第三项是电阻值，最后一项是带宽。应该记住这个公式，1k电阻在室温下的热噪声为，

8、即无论从事何种噪声相关工作，这一算式都将使您永远受益。这个速算公式可以方便地应用于其他电阻值。放大器噪声图1所示为放大器噪声模型。放大器噪声分为两类：一种是电压噪声（VX），另一种是电流噪声（IX）。在实际电路中，放大器由许多晶体管组成，所有这些晶体管都有噪声。幸运的是，所有晶体管的噪声都可以折合到放大器的输入端。图1 放大器噪声模型电压噪声规格在数据手册中，通常以两种方式表示，分别是和。查看数据手册中的噪声特性时，必须了解它是被折合到输入端还是输出端。大部分放大器的噪声特性被折合到输入端，对于运算放大器数据手册，这几乎是默认的习惯算法。但对于其他类型的固定增益放大器（如差动放大器），噪声可能

9、被折合到输出端。请注意，这种输入噪声会被放大器放大。例如，对于同相增益为10的放大器，输出端的噪声将是指标中给出的噪声的10倍。一些电路配置的噪声增益可能大于信号增益，反相配置就是一个很好的例子。信号增益为-1的反相配置，其噪声增益实际上为2。为了确定实际噪声增益，请将所有外部电压源短路，同时可以将噪声放大器的RTI噪声看做出现在放大器正输入端的噪声，如果以这一假设分析电路，应当能够确定噪声所接受的增益。仪表放大器的噪声特性与运算放大器稍有不同，对于运算放大器，所有内部晶体管噪声都可以折合到输入端，换言之，所有噪声源都会按增益比例缩放。仪表放大器则不然，电路中的一些噪声会按增益比例进行缩放，其

10、他噪声则与增益无关，这里与增益噪声相关的噪声量显示为eNI，与增益无关的噪声量显示为eNO。数据手册中有二者关系公式。除电压噪声外，放大器还具有电流噪声。如果输入端有电阻，电流噪声将与之相互作用，产生电压噪声。譬如，大多数源电压具有一定的电阻。毕竟，将高阻抗信号源转换为低阻抗信号源是使用运算放大器的原因之一。电流噪声流经与放大器相连的电阻，产生电压噪声。一般来说，放大器的输入偏置电流越高，则电流噪声越高。图2显示具有一定源电阻的电压跟随器配置，运算放大器的电流噪声会与信号源电阻相互作用，在输出端产生一定的额外噪声。图3显示反馈路径中的电阻如何与电流噪声相互作用，电流噪声流经反馈电阻的并联组合，

11、在输入端产生一个额外噪声源，然后此噪声源经放大器放大到达输出端。图2 具有一定源电阻的电压跟随器配置图3 反馈路径中电阻与电流噪声的相互作用模数转换器（ADC）噪声有时候模数转换器（ADC）数据手册以Vrms或VP-P的形式提供噪声特性，但大多数情况下，该特性用噪声相对于ADC最大满量程的关系来表示，规定为信噪比（SNR）。数据手册中的噪声指标，偶尔也包括失真特性及信纳比。紧急情况下，可以使用文中提供的理想公式，但这是理论限值，永远比实际值要好。这里的公式显示ADC的SNR数值与Vrms数值之间的换算关系，以便比较ADC与放大器的噪声。有一点必须注意，要确保使用ADC最大输入范围内的均方根噪声

12、。峰峰值噪声和RMS噪声峰峰值噪声Vrms指波形中波峰与波谷点之间的距离，它仅取决于两个点，有利也有弊。有利的一面是非常容易计算，只需将最大点减去最小点；不利的一面是复验性不强，不太精确。噪声是一个随机过程，因此，这种测量实际上依赖于噪声波形的极值。采集数据的时间越长，则越有可能获得极值。均方根值噪声使用波形中的所有点，比峰峰值噪声精确得多，测量的点越多，均方根数值越精确。不利的一面是，由于要使用所有点，因此计算时间较长。关于峰峰值和均方根值测量有一点需要注意，它们会随带宽发生较大变化，对于同一放大器，带宽越低，噪声也越低。图4清楚显示了这一点。实验中，我们测量了仪表放大器AD8222在多个不

13、同带宽时的噪声，可以清楚的看到带宽对于噪声的影响之大。带宽每提高十倍，噪声增加三倍。由于这些测量依赖于带宽，因此有几点需要注意：首先，需要了解电路的带宽特性，需要确保测量仪器的带宽高于电路的带宽，只有这样，才能获得精确的读数。此外，使用数字万用表时，规定均方根值噪声或峰峰值噪声时，同时必须明确特定的带宽。对于绝大多数数据手册，带宽为0.1Hz至10Hz频带。图4 AD8222在多个不同带宽时的噪声频谱密度图使均方根测量更进一步，它实际上是将噪声测量分为不同的区间，这样便可以明确哪些频率具有较多的噪声成分。图5来自AD8295数据手册，显示了许多测量的平均组合值。由于频谱密度图将测量分为许多区间

14、，因此需要大量的数据才能获得一张清晰的图。图5 AD8295的频谱密度图在较低频率时，大多数放大器的噪声曲线会斜升，噪声密度与频率成反比，因此将它称为1/f噪声。如果沿1/f斜率画一条直线，与水平噪声线相交，就可以得到1/f转折频率。噪声计算噪声的加法规则为噪声的平方和，假设噪声源不相关，这一假设在绝大多数情况下是成立的，噪声的乘法和除法规则与一般信号相同。第一，在噪声计算时，有几点需要注意：室温下，1k电阻对应于的噪声，这一速算公式可以方便地应用于其他电阻值，只需乘以电阻的平方根。第二，在对信号源求和时，可以忽略较小的项。噪声加法规则为平方和，如果一个噪声信号只有主导噪声信号的1/5，则其贡

15、献的额外噪声只有1/25。第三点是对第一点的扩展，如果第一增益级的增益足够大，则可以忽略其后的一切噪声。低噪声系统的设计技巧低噪声系统设计的第一个窍门是在前级应用中尽可能多的增益，图6显示的是一个放大器前端的两个例子，增益为10。可以看出，将所有增益应用于第一级，比将增益分布于两级要好得多。请注意，有时最佳带宽性能的要求可能与最佳噪声性能的要求相冲突。对于带宽，我们希望每个增益级具有近似的增益，而对于噪声，我们则希望第一级具有全部的增益。图6 放大器前端第二个窍门是注意源阻抗。这样做有两个原因：第一，源阻抗越大，则系统噪声越大；第二，放大器必须与源阻抗匹配良好，如果源阻抗较高，电流噪声噪声特性

16、可能比电压噪声特性更重要。第三个窍门是要注意反馈电阻，如果选择超低噪声运算放大器，却使用很大的反馈电阻，则不可能实现低噪声电路，在同相（图7）或反相配置中，注意反馈电阻相当于折合到输出端的噪声源。而其他电阻则相当于输入端的电压源，更准确的说，是反相配置输入端的电压源。前文已经谈到，设计低噪声系统时，第一级应用有高增益，这种情况下Rg噪声占主导地位。图7 同相运算放大器的噪声模型差动放大器构成精密电流源的核心 时间：2010-06-23 10:52:22 来源： 作者：赵延辉、Reem Malik、廖文帅许多应用利用精密电流源提供恒定电流，包括工业过程控制、仪器仪表、医疗设备和消费电子产品。例如

17、，过程控制系统利用电流源提供电阻温度检测器(RTD)所需的激励电流；数字万用表利用电流源测量未知电阻、电容和二极管；长距离信息传输广泛使用电流源来驱动4mA至20mA电流环路。图1 差动放大器和运算放大器构成精密电流源精密电流源传统上采用运算放大器、电阻和其它分立器件构建，但存在尺寸、精度和温度漂移等方面的不足。现在，高精度、低功耗、低成本集成差动放大器（例如AD8276）的出现，使得尺寸更小、性能更高的电流源变成现实，如图1所示。反馈缓冲器使用低失调、低偏置电流放大器，例如AD8538、AD8603、AD8605、AD8628、AD8655、AD8661、AD8663、OP177或OP117

18、7，具体取决于所需电流范围。输出电流可以通过下式计算：最大输出电流受以下因素限制：运算放大器输入范围、差动放大器输出范围以及差动放大器SENSE引脚电压范围。必须满足下列三个条件： SENSE引脚可以耐受几乎为电源两倍的电压，因此第二个限制条件相当宽松。2.5V至36V的宽电源电压范围使得AD8276成为许多应用的理想之选。A级和B级的最大增益误差分别为0.05%和0.02%，因此电流源精度最高可达0.02%。配置变化对于可以接受稍大误差的低成本应用，可以移除反馈缓冲器以简化电路，如图2所示。图2 去掉反馈放大器的简化电路如果所需输出电流小于AD8276的输出能力15 mA，则可去掉升压晶体管，如图3所示。如果低电流和降低精度均能接受，则可采用更为简单的低成本配置，如图4所示。图3 针对低电流应用的简化电路图4 针对低成本、低电流应用的简化电路图5所示的拓扑结构可以用于高电流、高精度应用，运算放大器输入范围无限制。图5 差动放大器和匹配电阻构成精密电流源外部电阻R1和R2应具有超高精度和匹配度，否则输出电流将随负载而变化，由此产生的误差无法通过软件来校正。外围器件 输入电压VREF可以是DAC输出、基准电压源或传感器输出。如果需要可编程电流源，推荐使用