在運放的使用中,最初級的硬件設(shè)計者的想法就是只有增益倍數(shù)這一個參數(shù)。當(dāng)然這是運放的基本能力,但是顯然只知道放大倍數(shù)是不能說其會使用運放的。或許你知道運放,知道差分放大是放大差分信號的,甚至還知道共模抑制比。
這是一個典型的信號傳輸系統(tǒng):
我們可以看出這個系統(tǒng)里重要的一點是子系統(tǒng)的參考電位,運放的共模電平也是參考電壓的問題。運放的共模電壓定義為:
計算公式Vcm=(Va+Vb)/2,可以理解為差分運放的差分兩端信號的中間電位點。
那么運放的共模電平意義在哪里?這個可以回溯到三極管的放大電路中:
晶體管的放大需要配置靜態(tài)工作點,也就是需要設(shè)置偏置電壓讓放大器處于放大狀態(tài)而不是飽和或者截止狀態(tài)。因此我們對于交流信號放大需要提供偏置電壓,而對于雙電源運放來說,共模電壓0V也是其共模電壓。因此,我們可以看出,我們是不需要對共模電壓放大處理的,共模電平的作用就是提供一個“平臺”。
共模電壓與噪聲:
其實第一張圖就體現(xiàn)了共模電壓的干擾問題,參考電位的差異會導(dǎo)致共模電平差異,對于信號檢測系統(tǒng)而言,干擾來源有來自附近電場的容性耦合,來自附近磁場的感性耦合,以及空間輻射信號的電磁耦合。下圖是信號線纜的幾種干擾特點,我們可以采用雙絞線和屏蔽的方式處理一些干擾。
下面是針對傳輸線的共模干擾的抑制方式:利用抑制器件以及隔離。
例如我們在處理交流信號放大時,經(jīng)常通過電容隔離直流電平,避免影響后級的共模輸入。
對于參考電位帶來的共模干擾也可以通過電源隔離的方式,形成兩個相對獨立的電源系統(tǒng)。
最后介紹一下高共模電壓的檢測系統(tǒng),這一點在BMS中應(yīng)用較多,我們需要對串并聯(lián)的電池組進行電壓監(jiān)測,就會有高共模電壓達到數(shù)百V出現(xiàn)。而一般運放的共模電壓輸入也就比電源小。
這里介紹一種專用的差分檢測運放,以AD629為例:
運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單:
看起來我們其實可以直接用普通運放來做,但是事實上我們可以看到對于上百V的共模信號進行差分檢測,如果反饋電阻不匹配,就會導(dǎo)致共模轉(zhuǎn)差模輸出,極大影響輸出電壓,其實就是共模抑制的問題。尤其是檢測電流很小的情況下輸出電壓在mv,而集成芯片內(nèi)部的電阻因為半導(dǎo)體的制造工藝可以保持很好的匹配度。
下圖是共模抑制性能:
小結(jié):說來也簡單,運放的共模電壓就是運放輸入的一種形式而已,重要的是我們需要明白它的影響和作用。
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原文標題:硬件開發(fā)者之路之運放共模電壓的解釋
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