放大器的輸入阻抗參數(shù)與應用仿真

在非電量測試中，處理傳感器的輸出電信號是放大器的重要應用。由于傳感器輸出阻抗大小不一，在具體設計中需要選擇輸入阻抗適合的放大器進行阻抗轉化，避免因為阻抗問題導致傳輸信號失真。本篇將討論輸入阻抗的模型與應用。

1. 放大器輸入阻抗模型

電壓反饋型放大器與電流反饋型放大器的輸入阻抗結構完全不同。如圖 2.144（a）為電壓反饋型放大器的輸入阻抗模型，具有差模和共模兩種輸入阻抗，偏置電流從阻抗無限大的電流源流入放大器輸入端。其中，共模輸入阻抗（Zcm+、Zcm–）是放大器任一輸入端與地之間阻抗，Zcm+、Zcm–阻抗值近似相同，數(shù)據(jù)手冊中通常不區(qū)分。差分輸入阻抗(Zdiff-)是放大器的兩個輸入端之間的阻抗。

圖 2.144 放大器輸入阻抗模型

阻抗呈現(xiàn)電阻與電容并聯(lián)形式，阻值范圍涵蓋為 KΩ級至 TΩ級，電容通常為 pF 級。如圖 2.145 為 ADA4625-1 共模輸入電阻為 1TΩ，共模輸入電容為 11.3pf,差模輸入電阻為 1TΩ，差模輸入電容為 8.6pf。

圖 2.145 ADA4625 輸入阻抗特性

如圖 2.144（b）為電流反饋型放大器的輸入阻抗模型，Z+呈現(xiàn)阻性（KΩ級至 MΩ級），并伴有電容，Z- 呈現(xiàn)電抗性（電容、或電感）并伴有 10Ω至 100Ω電阻。

放大器高阻輸入特性是工程師在設計中所需要的，尤其在高內(nèi)阻信號源的網(wǎng)絡中必須選擇更高輸入阻抗的放大器進行信號源的阻抗轉化。2019 年 6 月中旬，筆者接到某地機器人控制領域工程師的咨詢電話，企業(yè)拓展新業(yè)務，正在研發(fā)新能源行業(yè)的電池包檢驗設備。工程師使用一款 ADI 公司 24bit ∑Δ型 ADC 設計 400V 至 1000V 電池包電壓測試設備。電路結構如圖 2.146，前端 R1~Rn 是 MΩ級精密電阻產(chǎn)生分壓，由模擬開關 MUX 控制分壓電阻的阻值，所產(chǎn)生的分壓由 ADC 采樣、量化為數(shù)字信號輸出到微處理器 MCU 。

圖 2.146 電池包電壓測試電路結構圖

測試中發(fā)現(xiàn)幾個問題，其中之一是 ADC 輸入端電壓值與設計的理論分壓值相差超過 1V。針對該問題筆者與工程師分析信號網(wǎng)絡如圖 1.147（a）。電池與 MΩ級精密電阻（R1 至 Rn）構成傳感網(wǎng)絡端口，設計輸出電壓為式 2-81。其中產(chǎn)生分壓的阻抗為 Rm+1 至 Rn 電阻之和。

?

信號處理電路的輸入阻抗是模擬開關阻抗 RMUX 與 ADC 輸入阻抗 RADC 之和。所以，傳感網(wǎng)絡端口實際輸出電壓 Vo1 為式 2-82。

?

由于模擬開關阻抗 RMUX 與 ADC 輸入阻抗 RADC 之和小于傳感網(wǎng)絡端口的分壓阻抗,所以網(wǎng)絡級聯(lián)后的端口實際輸出電壓 Vo1 近似為式 2-83。

?

因此筆者推薦使用 ADA4622(參數(shù)如圖 1)作為緩沖器電路在輸入端口進行阻抗轉換，如圖 1.147（b）。信號處理輸入阻抗改善為模擬開關輸入電阻 RMUX 與放大器共模輸入阻抗 Rcm 之和，信號處理改善網(wǎng)絡與傳感網(wǎng)絡端口連接后的電壓 Vo2 為式 2-84。

圖 1 ADA4622 輸入阻抗參數(shù)

?

由于放大器共模輸入阻抗 Rcm 遠大于傳感網(wǎng)絡的分壓阻抗，改善后的網(wǎng)絡端口電壓 Vo2 近似為式 2-85。

?

可見，改善后的端口網(wǎng)絡電壓 Vo2 與所設計端口網(wǎng)絡電壓 Vo 近似相同。后續(xù)工程師使用指標近似的某品牌放大器，是的，某品牌，完成驗證改善問題！

圖 1.247 戴維南等效網(wǎng)絡示意圖

2. 輸入電容對閉環(huán)回路帶寬影響與仿真

如上例，在很多應用中，工程師僅關心輸入電阻的大小，而忽略輸入電容的存在。放大器的輸入電容為 pf 級，在低內(nèi)阻的信號源網(wǎng)絡中，放大器的輸入電容不會對帶寬產(chǎn)生限制。如圖 2.148，當信號源內(nèi)阻為零可以忽略時，以 ADA4625-1 的同相增益放大電路為例，增益為 100 倍（40dB），該增益處對應的 ADA4625-1 的開環(huán)增益曲線滿足 -20dB/ 十倍頻的關系，通過增益帶寬積計算電路的閉環(huán)帶寬為：

圖 2.148 考慮輸入電容因素的同相放大電路

在信號源內(nèi)阻 Rs 為 1MΩ時，與放大器輸入共模電容構成一階 RC 電路，極點為：

?

對放大器輸入電容與帶寬關系仿真之前，先確認放大器的模型中是否包含輸入電容參數(shù)。如圖 2.149，ADA4625-1 的 LTspice 的模型中輸入電阻、電容參數(shù)與數(shù)據(jù)手冊相同。

圖 2.149 ADA4625 SPICE 網(wǎng)絡模型

然后，將 ADA4625-1 設計為幅頻特性的仿真電路，如圖 2.150。

圖 2.150 ADA4625-1 同相放大電路幅頻特性仿真電路

當信號源 Vin 內(nèi)阻 Rser 為 0Ω時，針對幅頻特性進行 AC 分析的結果如圖 2.151。在低頻范圍的閉環(huán)增益為 40dB,閉環(huán)增益下降 3dB(增益為 37.016)的截至帶寬約為 134.834KHz，考慮到數(shù)據(jù)手冊中增益帶寬積測試條件因素，該仿真結果可以接受。

圖 2.151 低阻抗信號源激勵 ADA4625-1 電路的幅頻特性 AC 分析結果

在信號源 Vin 的內(nèi)阻 Rser 為 1MΩ時，針對幅頻特性進行 AC 分析的結果如圖 2.152。閉環(huán)增益下降 3dB（37.097dB）截至頻率為 14.5514KHz,仿真結果近似于理論計算值 14.08KHz。

圖 2.152 高阻抗信號源激勵 ADA4625-1 電路的幅頻特性 AC 分析結果

綜上，在電壓型放大器輸入阻抗參數(shù)分析時，首先根據(jù)電路的結構，以及信號源阻抗的等級選擇適合輸入電阻的放大器，另外在交流高阻抗的信號處理電路中需結合輸入電容因素綜合評估。