【经验】差分输出型传感器的信号差分放大电路一般特性分析

时间： 2020-05-15 来源：Amphenol Sensors

技术问答

选择适当的传感器信号放大电路

对于电桥形式的信号输出处理，使用者一般都了解需要选择差分放大。差分放大也有几种类型，比较一下哪一种更加合适。而评估一个放大电路的特性其中很重要的一点就是分析其共模抑制比（CMRR)。

单运放差分放大：现实比理想更骨感

设想中，差分输出为：

之所以带（？），实际电路中一定要考虑传感器电桥本身的输出阻抗，而且该阻值还会随着工况有变化。因此实际输出信号要复杂一些。因为传感器输出阻抗的存在，破坏了放大电路对共模抑制的要求，把输入共模信号也作为有效但是却不受控信号的一部分放大后输出。

所以，这种单运放差分对于电阻型电桥传感器这种输出阻抗较大的信号放大并不适用。关于其特点后面还会提到。

双运放差分

其中:

·为传感器正向信号输入，为传感器负向信号输入，RG为增益电位器，VB为偏置电压

·由虚短接可知，VN1=Vin1, VN2=Vin2

根据图-4，对于理想运放得:

根据以上方程得：

如果R1=R2, R3=R4,则：

该电路中高阻输入端较好地隔离了传感器输出阻抗对电路的影响。但是一方面，电路的第一级同时也放大了输入的共模电压。实际应用中△V=Vin1-Vin2很小(0~100mV)，而共模电压可能达4~5v甚至更高。由方程组的第一个等式可以得到第一级对共模信号及偏置电压的放大输出得：

偏置电压在第一级中的增益为(-R2/R4)，在第二级中的增益为1。如果没有偏置电压VB存在的话，第一级信号放大将很尴尬：或者饱和溢出，或者要花费时间精力核算偏置电压的大小与增益的设置间做一个平衡，不仅如此，还要考虑第二级结果的输出信号范围。

另一方面，电路对于电阻的匹配要求也会相应提高。如果R1和R2，或者R3和R4间的阻值存在差异，输出值将有相应的调整。输出信号中将出现多出项[1-R2R3/(R1R4)]Vin2。其中Vin2实际上与共模电压非常接近。

如果VB=0，输入共模信号Vcm in,△V=Vin1-Vin2=0时，R1=R2，R3=0.99R4，则得共模电压输出：

从上可知，该放大电路的共模抑制对于电阻匹配的敏感度相当高。作为比较，如果电路设定的放大倍数Ad=1时,CMRR=40dB。虽然增加电路的增益可以增加共模抑制比，但是在电阻匹配程度降低，供电电压不很稳定，以及放大倍数有限的情况下，该电路的性能对于测量性能要求高的场合并不太适合，往往一方面设计参数会比较棘手，一方面信号输出中夹带其它成分。如果存在1%对共模信号的放大，将在绝大多数的8位以上的ADC电路中可以检测到至少1~2bit额外的共模信号。没有严格的电阻匹配的情况下，这种电路将会把有效信号和共模信号以及部分单端不对称信号“有效”地混合后输出。

CMRR越高，电路对共模电压的抑制越好，反之共模电压将以某种形式出现在输出信号中。这就是我们一开始就说明要分析放大电路的共模抑制比的原因。

双运放差分放大差分输出：

理想运放下，可得：

从方程可得：

从式-6可见，该电路一方面具有差分线性放大的特点，另一方面，当Vin1=Vin2=VCM 时，放大信号对于共模信号VCM完全抑制，输出的共模差分信号VCM OUT=0,即放大的差分信号(V01-V02)中不包含输入信号中的任何共模成分，甚至与电路中的三个电阻的大小都无关。电路的这个特点给三运放差分放大提供了一个非常好的接口。

在安费诺传感器Novasensor的压力产品中，有几款产品如NPC-1220中几个型号即提供了同样的一个差分放大的工作原理图。用户对于这些产品，可以使用差分输入方式的ADC，或者将差分转换为单独后在输入ADC，或者直接使用以下讨论的三运放/仪表放大的方式即可实现比较完整的信号采集处理。

三运放/仪表差分放大输出：

将图-1中左边电路和图-3结合之后即为典型的三运放结构。

由图-1的结果可得：

设置,R1=R2,R3=R5,R4=R6，将式-6代入式-7可得：

当Vin1=0时：

当Vin2=0时：

根据信号叠加方式分别计算Vo1和Vo2。

当输入共模电压Vcm in=Vin1=Vin2,可由上式得：

从另外一个角度，如果是理想的运放，则因为RG中没有电流，第一级的两个运放自然成了电压跟随器，也同样有式-9的推论，即有放大的差分信号，(V01-V02)=0。因此，图-3中的双运放差分机构对共模信号的抑制特征，对于一个三运放结构的电路依然有效，并且由于运放输出阻抗小的特点，对于第二级放大几乎没有影响。所以，整个电路的共模抑制特性取决于第二级差分放大部分。则共模输出电压VCM_OUT由式-7和式-9得：

由式-10得共模抑制比：

出于比较，这里取第二级的设定增益Ad2(R6=R5=R4=R3)为1时（另外，很多情况下仪表放大器的第二级增益为1），如果R3与其余电阻值相差1%，可得：CMR=1/0.005,即CMRR=46dB。

可见，对于我们所看好的第二级差分放大，还需要有特别的要求，即电阻的匹配和稳定。如果电阻的匹配稍有出入，原本理想情况下无限大的CMRR降到了只有46dB。所以，对于三运放结构的选用独立器件搭建时应该需要慎重，使用仪表放大器对信号而言肯定是一个更好的选择。因为其内部电阻具有良好的匹配。另外，有许多半导体厂家也提供集成式的如图-1(左)的差分运放器件，作为三运放结构的第二级，也是一种候选。

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