微小電壓測量放大電路的抗共模噪聲設(shè)計方法

唐金元，王翠珍，于 潞

（海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東 青島 266041）

0 引 言

對微弱電信號進行放大是各種不同用途的電子測量儀器的關(guān)鍵部分——前置放大器的任務(wù)。前置放大器的靈敏度主要受到以下因素的影響：微弱電信號輸出電路的輸出阻抗（通常是變化的，會影響到后面放大電路的電壓放大倍數(shù)）、放大器本身的背景噪聲、放大器的輸入失調(diào)和漂移、共模抑制能力等；因此，提高測量儀器前端放大電路的輸入阻抗和共模抑制能力是至關(guān)重要的。前置放大電路通常選擇輸入阻抗和共模抑制比都很高的電路。場效應(yīng)管放大電路和運算放大電路的輸入阻抗均較大，但場效應(yīng)管電路不能對共模干擾進行抑制，因此多選用運算放大器電路[1-2]。

1 運算放大器構(gòu)成的前端放大電路

噪聲分為串模噪聲和共模噪聲兩種[1]。串模噪聲指以串聯(lián)方式與被測電壓一起疊加在測量電路輸入端的干擾電壓，即干擾電壓與信號源及測量電路輸入端串聯(lián)構(gòu)成回路。共模干擾是同時加在兩根測量線上的干擾電壓，對兩個輸入端都有干擾作用。共模噪聲往往很強，且可以轉(zhuǎn)換為串模噪聲，轉(zhuǎn)換的條件是輸入電路阻抗不平衡。若電路完全平衡，則共模噪聲不能轉(zhuǎn)化成串模噪聲，就不能對測量結(jié)果形成干擾；但是，電路的完全平衡是很難做到的，總存在程度不同的不平衡，因而也總存在共模噪聲的影響。

目前普遍利用運算放大器來放大微小電壓信號[1]。由于信號很微弱，再考慮到測量現(xiàn)場的電磁干擾情況，通常噪聲比較強，信號往往淹沒在很強的噪聲中，對信號的放大極為不利。這些噪聲多以共模噪聲的形態(tài)起作用，并且隨氣象環(huán)境等條件的變化而變化，會造成測量電壓誤差；因此，僅用低溫漂的運算放大器不能解決這個問題。要解決這個問題，必須通過適當(dāng)?shù)碾娐愤B接方式解決共模噪聲的干擾問題。

首先信號地和電路地要有相同的地電位，運放既可以采用反相放大，也可以采用同相放大形式，如圖1所示。這樣的布線形式不必擔(dān)心共模噪聲電壓造成測量誤差，可是在較長的電纜傳輸時這樣做又會將差模噪聲放大，這時可采用三線式傳輸方式。圖2實線所示是兩線式傳輸方式的反相放大器，en1是電路地線阻抗產(chǎn)生的電壓降（差模噪聲），en2是信號線的阻抗產(chǎn)生的電壓降，輸出為

若采用圖2虛線所示的三線式傳輸方式時

en2帶來的誤差項減少了Ad倍，這樣的布線方式可用于其他的單端輸入電路；但是這樣的單端輸入型電路對于傳輸中耦合噪聲抑制能力很差，要注意信號電纜所經(jīng)過場所的噪聲環(huán)境，布線要遠離各種強干擾源，不要與其他大信號的電纜一起扎結(jié)或相平行。

圖1 信號地與電路地為同一電位

圖2 兩線或三線式傳輸方式

微小電壓信號的放大最適用的電路形式是平衡式差分放大電路[1，3]。在差分放大電路中使用雙絞線或雙芯同軸電纜進行信號接收，對干擾具有很好的抑制效果，如圖3所示。當(dāng)兩個地之間有噪聲影響時，其兩根電纜所接收的噪聲具有相同的振幅和相同的相位，是共模噪聲。差分放大器僅對差分成分放大，并且放大倍數(shù)Ad很大，而對共模噪聲的放大倍數(shù)Ac很小，其共模抑制比CMRR=Ad/Ac很大，可以得到非常理想的信噪比性能。

圖3 完全平衡的差分放大電路

上述電路的平衡是非常重要的。即便放大器有很好的共模抑制比，若兩個輸入端因種種原因而導(dǎo)致不平衡，則共模噪聲會變成差模噪聲并被放大器放大，從而也使得信噪比下降。電路不平衡的原因主要有3個：（1）電阻值的誤差，實際上電路的抗干擾效果在很大程度上依賴于這些電阻的精度。（2）由于前置衰減器造成的電路失衡。若衰減器的衰減比為1/M，運算放大器的同相允許輸入為us，則可使衰減器的電壓輸入擴大到為Mus，這種衰減器的電阻平衡失配同樣會造成電路的共模抑制比下降。電阻的平衡失配還不僅僅由于電阻的精度，還與電阻的分布電容、頻率特性等因素有關(guān)，所以從裝配布線到元件選擇等都要加以注意。（3）運算放大電路的同相輸入端和反相輸入端的結(jié)構(gòu)是基本對稱，要完全對稱很困難，特別在高頻端更困難。

鑒于上述原因，在要求對微弱電信號進行精密測量時，需采用儀用對稱放大電路[4-5]。

2 儀用對稱前端放大電路

儀用對稱放大電路[3-4，6]的結(jié)構(gòu)是完全對稱的。對稱電路是指雙線電路中的兩根導(dǎo)線及其連接的所有電路對地或?qū)ζ渌麑?dǎo)線都具有相同的阻抗（電路平衡）。電路對稱的目的在于使這兩根導(dǎo)線所檢測的噪聲相等，此時的噪聲是共模噪聲，可以在對稱的負載上自行抵消。若再結(jié)合屏蔽保護可以進一步降低噪聲和干擾。

對稱放大電路如圖4所示，它由3塊集成運放以及外部電阻構(gòu)成（又稱三運放電路）。整個電路組成兩級放大器。第一級是A1、A2運放和電阻R1、R2及RW組成的同相并聯(lián)差分放大器，第二級為運放A3和電阻R3、R5、R4及R6組成的減法器。理想的減法器只放大uo1、uo2的差模部分，它將雙端輸入信號放大后變?yōu)閱味溯敵?，以適應(yīng)后級放大器的要求。為了保證有足夠大的共模抑制比，該電路的電阻需滿足對稱條件：R1=R2、R3=R4、R5=R6。對于放大器兩個輸入端的差值電壓（差模電壓），電路的輸出電壓為

差模電壓增益可以達到一個較大的數(shù)值，且調(diào)節(jié)外接電阻RW可以方便地改變差模電壓增益的大??；但是對于共模電壓，當(dāng)時，輸出電壓uo=0。可見，電路放大差模信號能夠抑制共模信號，差模放大倍數(shù)越大，共模抑制比越大。

圖4 儀用對稱放大電路

儀用對稱放大電路的結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中對外圍元件的公差要求嚴格，電阻、測量線的長度等參數(shù)需要完全對稱也很難做到；因此，可采用帶共模電壓負反饋的儀用放大電路，以彌補上述儀用放大電路的不足。

3 強電磁環(huán)境中適用的改進型儀用放大電路

在某些電磁環(huán)境惡劣的場合采集微小電壓信號時，強共模噪聲足可以完全淹沒信號，直接導(dǎo)致整個測量電路的阻塞，嚴重影響測量的準確度。為進一步提高電路的共模抑制比，可以在上述電路中加入共模電壓的負反饋電路，以抵消共模噪聲或其中的一部分[6-8]。電路如圖5所示。

電路中A4是跟隨器電路。C點電位為

僅考慮共模干擾電壓uic時，C點電位為

圖5 改進型儀用放大電路

可見，從C點可以提取共模干擾電壓，將此電壓反相后（負反饋）在信號的輸入端與輸入信號中的共模信號相加，達到減少等效輸入的共模干擾電壓，提高了共模抑制比。

4 長距離傳輸時改進型儀用放大電路

儀用放大器本身具有良好的共模抑制比，但是用它構(gòu)成具體的測量電路后整個電路的共模抑制特性往往不盡人意，一個重要原因是輸入信號傳輸電纜不對稱，特別是在需要長距離傳輸被測信號的時候。放大電路具有良好共模抑制比的前提是電路結(jié)構(gòu)對稱，而輸入信號傳輸電纜破壞了對稱的電路結(jié)構(gòu)，在此情況下，可采用下述改進電路。

在測量放大器的輸入端增加一個由運放A4組成的跟隨器電路[6]，如圖6所示。被測信號采用雙芯屏蔽電纜傳輸時，將跟隨器的輸出端與信號傳輸電纜的屏蔽層相接，使電纜的屏蔽層電位跟隨放大器輸入端的共模電位變化，即電纜屏蔽層與放大器輸入端共模電位相同，于是共模信號在漏電阻和分布電容上的分壓作用消失，測量放大器輸入端就不存在由共模信號經(jīng)分壓產(chǎn)生的具有差模特征的電壓，從而提高了整個測量電路的共模抑制能力。

圖6 采用雙芯傳輸線的改進型儀用放大電路

若采用單芯屏蔽電纜傳輸信號，則需要給兩條信號線分別加跟隨器，如圖7所示。由于兩根信號線屏蔽層的電位始終分別與信號線同電位，故它可以使漏電阻和分布電容對共模信號和差模信號都不起分壓作用。這樣不僅可以提高整個電路對共模信號抑制能力，而且還可大大降低傳輸線對信號中高頻分量的傳輸衰減。

圖7 采用單芯傳輸線的改進型儀用放大電路

采用上述兩種方法，整個測量電路的共模抑制比可以保持在儀用放大器本身的數(shù)值上，可以防止信號傳輸電纜不對稱產(chǎn)生新的共模干擾，尤其適合長距離傳輸信號。

5 結(jié)束語

運算放大器具有良好的共模抑制性能，但是在微小電壓的實際測量中，由于電路的不平衡，使得共模噪聲耦合進入放大電路帶來的測量誤差不可忽視；因此，解決電路的平衡性是至關(guān)重要的，儀用放大電路的輸入平衡較好，能有效地抑制共模噪聲。在強干擾電磁環(huán)境中和長距離傳輸測量信號時，還需要加入共模噪聲的負反饋電路以抵消強共模噪聲。經(jīng)過改進的儀用放大電路能較好地減少噪聲影響，較大提高測量微小電壓信號的精確度。將圖5所示改進型儀用放大電路用于發(fā)動機溫度測量電路中，其共模噪聲電壓的峰峰值由10mV下降為1mV，效果較好。

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