被完全误解的三运放仪表放大器.docx
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被完全误解的三运放仪表放大器
被完全误解的三运放仪表放大器
时间:
2010-06-2404:
22:
28来源:
作者:
BonnieC.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(opamp)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(ΔVOUT/ΔVOS)。
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:
2010-06-2312:
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,1kΩ电阻在室温下的热噪声为
,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,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。
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4AD8222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,因此需要大量的数据才能获得一张清晰的图。
图5AD8295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,1kΩ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:
2010-06-2310:
52:
22来源:
作者:
赵延辉、ReemMalik、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,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OP1177,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15mA,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,推荐使用精密14位或16位DAC,如AD5640、AD5660、AD5643R和AD5663R等。
至于基准电压源,要求更高性能时推荐使用精密基准源ADR42x和ADR44x;要求低功耗时推荐使用ADR36x;要求低成本时推荐使用AD158x和ADR504x;要求小尺寸时推荐使用集成运算放大器与基准电压源ADR82x。
晶体管选择
选择升压晶体管时,务必使VC高于电源电压,并使IC高于所需输出电流。
推荐使用2N3904、2N4401和2N3391等低成本晶体管。
电流较低时,无需使用晶体管。
实验基准结果和分析
使用图1电路测得的输入电压与输出电流的关系如图6所示。
AD8276和AD8603采用+5V电源供电,R1的容差为0.1%,晶体管为2N3904,基准电压以0.01V步进从0.05V扫描至1.20V,输入范围受电源和AD8603输入范围的限制。
图6使用差动放大器和反馈放大器的测试结果
最大误差为0.87%,平均误差为0.10%。
电流检测误差受外部电阻的限制。
较高精度的电阻可以产生较高精度的电流源。
结束语
差动放大器AD8276具有低失调电压、低失调电压漂移、低增益误差、低增益漂移特性以及集成电阻,可以用来实现精确、稳定的电流源。
宽电源电压范围(2.5V至36V)使其能支持各种各样的负载。
节省空间的8引脚MSOP封装和低功耗特性,则使它非常适合电池供电的便携式系统。
采用差动放大器实现精密电流源可以缩小PCB面积,简化布局,降低系统成本,提高可靠性。
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