输入阻抗的模型与应用
放大器参数解析与LTspice仿真 2022-09-27
    在非电量测试中,处理传感器的输出电信号是放大器的重要应用。由于传感器输出阻抗大小不一,在具体设计中需要选择输入阻抗适合的放大器进行阻抗转化,避免因为阻抗问题导致传输信号失真。本篇将讨论输入阻抗的模型与应用。

    1 放大器输入阻抗模型

    电压反馈型放大器与电流反馈型放大器的输入阻抗结构完全不同。如图2.144(a)为电压反馈型放大器的输入阻抗模型,具有差模和共模两种输入阻抗,偏置电流从阻抗无限大的电流源流入放大器输入端。其中,共模输入阻抗(Zcm+、Zcm–)是放大器任一输入端与地之间阻抗,Zcm+、Zcm–阻抗值近似相同,数据手册中通常不区分。差分输入阻抗(Zdiff­)是放大器的两个输入端之间的阻抗。

图2.144放大器输入阻抗模型

    阻抗呈现电阻与电容并联形式,阻值范围涵盖为KΩ级至TΩ级,电容通常为pF级。如图2.145为ADA4625-1共模输入电阻为1TΩ,共模输入电容为11.3pf,差模输入电阻为1TΩ,差模输入电容为8.6pf。

图2.145 ADA4625输入阻抗特性

    如图2.144(b)为电流反馈型放大器的输入阻抗模型,Z+呈现阻性(KΩ级至MΩ级),并伴有电容,Z-呈现电抗性(电容、或电感)并伴有10Ω至100Ω电阻。

    放大器高阻输入特性是工程师在设计中所需要的,尤其在高内阻信号源的网络中必须选择更高输入阻抗的放大器进行信号源的阻抗转化。2019年6月中旬,笔者接到某地机器人控制领域工程师的咨询电话,企业拓展新业务,正在研发新能源行业的电池包检验设备。工程师使用一款ADI公司24bit ∑Δ型ADC设计400V至1000V 电池包电压测试设备。电路结构如图2.146,前端R1~Rn是MΩ级精密电阻产生分压,由模拟开关MUX控制分压电阻的阻值,所产生的分压由ADC采样、量化为数字信号输出到微处理器MCU 。

图2.146 电池包电压测试电路结构图

    测试中发现几个问题,其中之一是ADC输入端电压值与设计的理论分压值相差超过1V。针对该问题笔者与工程师分析信号网络如图1.147(a)。电池与MΩ级精密电阻(R1至Rn)构成传感网络端口,设计输出电压为式2-81。其中产生分压的阻抗为Rm+1至Rn电阻之和。

    信号处理电路的输入阻抗是模拟开关阻抗RMUX与ADC输入阻抗RADC之和。所以,传感网络端口实际输出电压Vo1为式2-82。

    由于模拟开关阻抗RMUX与ADC输入阻抗RADC之和小于传感网络端口的分压阻抗,所以网络级联后的端口实际输出电压Vo1近似为式2-83。

    因此笔者推荐使用ADA4622(参数如图1)作为缓冲器电路在输入端口进行阻抗转换,如图1.147(b)。信号处理输入阻抗改善为模拟开关输入电阻RMUX与放大器共模输入阻抗Rcm之和,信号处理改善网络与传感网络端口连接后的电压Vo2为式2-84。

图1 ADA4622输入阻抗参数

    由于放大器共模输入阻抗Rcm远大于传感网络的分压阻抗,改善后的网络端口电压Vo2近似为式2-85。

    可见,改善后的端口网络电压Vo2与所设计端口网络电压Vo近似相同。后续工程师使用指标近似的某品牌放大器,是的,某品牌,完成验证改善问题!

图1.247 戴维南等效网络示意图

    2 输入电容对闭环回路带宽影响与仿真

    如上例,在很多应用中,工程师仅关心输入电阻的大小,而忽略输入电容的存在。放大器的输入电容为pf级,在低内阻的信号源网络中,放大器的输入电容不会对带宽产生限制。如图2.148,当信号源内阻为零可以忽略时,以ADA4625-1的同相增益放大电路为例,增益为100倍(40dB),该增益处对应的ADA4625-1的开环增益曲线满足-20dB/十倍频的关系,通过增益带宽积计算电路的闭环带宽为:

图2.148考虑输入电容因素的同相放大电路

    在信号源内阻Rs为1MΩ时,与放大器输入共模电容构成一阶RC电路,极点为:

    对放大器输入电容与带宽关系仿真之前,先确认放大器的模型中是否包含输入电容参数。如图2.149,ADA4625-1的LTspice的模型中输入电阻、电容参数与数据手册相同。

图2.149 ADA4625 SPICE网络模型

    然后,将ADA4625-1设计为幅频特性的仿真电路,如图2.150。

图2.150 ADA4625-1同相放大电路幅频特性仿真电路

    当信号源Vin内阻Rser为0Ω时,针对幅频特性进行AC分析的结果如图2.151。在低频范围的闭环增益为40dB,闭环增益下降3dB(增益为37.016)的截至带宽约为134.834KHz,考虑到数据手册中增益带宽积测试条件因素,该仿真结果可以接受。

图2.151 低阻抗信号源激励ADA4625-1电路的幅频特性AC分析结果

    在信号源Vin的内阻Rser为1MΩ时,针对幅频特性进行AC分析的结果如图2.152。闭环增益下降3dB(37.097dB)截至频率为14.5514KHz,仿真结果近似于理论计算值14.08KHz。

图2.152 高阻抗信号源激励ADA4625-1电路的幅频特性AC分析结果

    综上,在电压型放大器输入阻抗参数分析时,首先根据电路的结构,以及信号源阻抗的等级选择适合输入电阻的放大器,另外在交流高阻抗的信号处理电路中需结合输入电容因素综合评估


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