差分放大器的多種應(yīng)用

一、概述

目前市場(chǎng)上運(yùn)算放大器的種類繁多，常用的便有通用型、精密運(yùn)放、高輸入阻抗類型、高速型、低功耗型和高壓大功率型等多種運(yùn)算放大器，每一種運(yùn)放都具有其獨(dú)特的特性。工程師在選擇器件時(shí)要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合情況進(jìn)行運(yùn)放種類的選擇。而其中差分運(yùn)放因其具有精度高、抗噪聲能力強(qiáng)的特點(diǎn)，常應(yīng)用于信號(hào)采集傳輸?shù)膱?chǎng)合。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1.輸入電壓范圍低于電源電壓的場(chǎng)合

在進(jìn)行壓力/磁/溫度惠斯通橋的兩端信號(hào)的采集與處理的應(yīng)用時(shí)，因?yàn)槠漭斎腚妷悍秶陀诠╇婋妷旱奶攸c(diǎn)，這時(shí)就可以使用儀表放大器進(jìn)行信號(hào)采集處理。

儀表放大器因其高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移與增益可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)使得其在微弱信號(hào)采集、傳感器信號(hào)放大的應(yīng)用方面倍受青睞。航晶公司目前已經(jīng)完成了儀表放大器HJG620、HJG826、HJG118、HJG128、HJG333和HJ52301系列等器件的研發(fā)設(shè)計(jì)并已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用并能夠?qū)M(jìn)口器件AD620、INA826、INA118、INA128、INA333和MII-52301器件進(jìn)行完全國(guó)產(chǎn)化替代。

圖1 儀表放大器典型原理框圖

但在進(jìn)行儀表放大器的應(yīng)用時(shí)要注意器件的應(yīng)用環(huán)境條件，應(yīng)用條件不合適就會(huì)導(dǎo)致器件的功能參數(shù)受到影響，使得器件的輸出誤差變大。

儀表放大器的應(yīng)用REF端輸入可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行偏置調(diào)節(jié)，但要注意REF端的輸入信號(hào)要具有低輸出阻抗并具有吸收電流和拉出電流的能力，這樣才能使得器件的輸出誤差得到保證。即應(yīng)用運(yùn)放進(jìn)行緩沖輸入REF端或應(yīng)用基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行REF端電壓設(shè)置可以保證小的輸出誤差，而應(yīng)用電阻分壓式處理或者LDO的方式將會(huì)使得器件的輸出誤差變大，采集精度變低。

儀表放大器的工作范圍是取決于共模電壓、增益和REF引腳端電壓的，即輸入共模的大小對(duì)于器件的工作特性時(shí)具有影響的，這種關(guān)系被稱為儀表放大器的鉆石圖。這種受共模電壓影響的特性在儀表放大器處于單電源應(yīng)用時(shí)要格外注意。

圖2 儀表放大器單電源工作典型鉆石圖

從上圖中可以看到，單電源工作的儀表放大器設(shè)置較大輸出時(shí)，其輸入共模電壓范圍就會(huì)很窄在一般電源電壓處，這時(shí)如果在輸入端要想采集較小的電壓信號(hào)就必須在REF端加上新的偏置電壓，可以使得輸入共模電壓范圍相應(yīng)變寬。

2.輸入電壓范圍大于電源電壓的共地系統(tǒng)（common  GND）

當(dāng)輸入電壓大于電源電壓時(shí)，這時(shí)就不能使用上述的儀表放大器進(jìn)行信號(hào)采集處理，而要選擇差分放大器進(jìn)行工作。

圖3 差分放大器典型原理框圖

差分放大器通過(guò)先將輸入電壓等比例縮小，再在內(nèi)部重新進(jìn)行增益網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置以最終得到一個(gè)固定增益，通過(guò)這種電氣連接結(jié)構(gòu)能夠使得整個(gè)器件的輸入電壓范圍放大以至于能夠超過(guò)電源電壓。差分放大器的外圍電阻設(shè)計(jì)時(shí)采用低溫漂的薄膜材料以能夠得到優(yōu)秀的溫度特性，使得器件輸出誤差對(duì)溫度變化的影響較小，能夠保持高精度的輸入信號(hào)采集處理。且因?yàn)椴罘址糯笃鞯妮斎腚娮栎^大，則器件不容易受到白噪聲與輸入紋波的影響，以至于在不需要進(jìn)行電源隔離的情況下，不需要進(jìn)行多余濾波網(wǎng)絡(luò)和隔離網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，差分放大器能夠替代隔離放大器的應(yīng)用，這極大的減小了整個(gè)系統(tǒng)的成本。

航晶公司目前已經(jīng)完成了HJ133A、HJINA148與HJ629等差分放大器的研發(fā)設(shè)計(jì)，能夠?qū)M(jìn)口型號(hào)INA133、INA148與AD629差分放大器進(jìn)行完全國(guó)產(chǎn)化替代。且該種類產(chǎn)品已經(jīng)受到客戶的大量采購(gòu)與應(yīng)用實(shí)踐。

3.輸入電壓范圍大于電源電壓的不共地系統(tǒng)（galvanic  isolation）

    由于不共地，因而被測(cè)信號(hào)往往是寄生在復(fù)雜的共、差模干擾中，且伴隨由共模瞬變干擾。

圖4 隔離放大器典型原理框圖

隔離放大器是一種特殊的測(cè)量放大電路，其輸入、輸出和各電源電路之間是沒(méi)有直接電路耦合的，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有公共的接地端，器件的輸入與輸出之間是具有電氣隔離的，是一種能夠?qū)Ω鞣N信息信號(hào)進(jìn)行變送、隔離、放大、運(yùn)傳的集成電路，能夠完成在復(fù)雜電磁環(huán)境的工況環(huán)境下對(duì)微弱的輸入信號(hào)進(jìn)行隔離放大輸出的功能。

因其內(nèi)部具有電氣隔離的設(shè)計(jì)，隔離放大器的共模瞬態(tài)抑制能力普遍較強(qiáng)，當(dāng)輸入信號(hào)上具有瞬間大電壓變化時(shí)，超高的共模瞬態(tài)抑制能力會(huì)使得這種變化不會(huì)作用于器件的輸出上，即即使輸入端出現(xiàn)了破壞性的電壓變化，器件的性能也不會(huì)受損。因?yàn)椴捎昧穗娫锤綦x的工作模式，隔離放大器也能夠消除測(cè)量時(shí)有接地環(huán)引起的測(cè)量誤差，使得測(cè)量精度更高。即隔離放大器具有更高精密的采集微弱信號(hào)并放大的能力。

航晶公司目前已經(jīng)完成了HJ278和HJ5B40系列等隔離放大器的研發(fā)設(shè)計(jì)，能夠?qū)M(jìn)口型號(hào)ADI-5B40隔離放大器進(jìn)行完全國(guó)產(chǎn)化替代。其中HJ5B40系列輸入與輸出之間隔離耐壓可達(dá)4242V。該種類產(chǎn)品已經(jīng)受到客戶的大量采購(gòu)與應(yīng)用實(shí)踐。