深入分析運放的作用

深入分析了4-20mA的運放選型、A/D基準電壓對測量精度影響等問題。

其中，為了提供抗干擾能力，輸入至運放的信號需要改為差分輸入而不是單端輸入。

運放的作用

不少網友提到，既然運放只是用作電壓跟隨器，沒有放大作用，何不省了運放，直接將電壓輸入至處理器的A/D口。

不經過電壓跟隨器的檢測電路

采用電壓跟隨器進行信號隔離的檢測電路

在我看來，除了沒有對信號進行放大之外，運放起到了下述作用：

01隔離以及阻抗變換

運放具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點。

利用這一特點，實現了輸入輸出的阻抗不會影響輸出以及輸入信號。

從4-20mA的輸入端口往里看，輸入阻抗的等效電路如下圖：

輸入阻抗的等效電路

輸入阻抗為：

其中，RIN為負載的輸入阻抗，而Ri是4-20mA信號的輸入阻抗；

對于直接輸入A/D口的電路，RIN為A/D口的輸入阻抗；

對于電壓跟隨器電路，RIN為運放的輸入阻抗；

在最近的文章中，我一直強調，不隨器件、溫度、時間而變化的誤差可以通過標定消除。

因此，只需要考慮RIN的變化對Rin產生的變化而導致的誤差。

根據下圖的運放等效模型，可以算出同相端的共模輸入阻抗為。

運放等效模型

在節點1,運用節點電流法，流入節點的所有電路總和為0，有下式成立：

移項化簡得到：

得到電流i為：

同相端輸入阻抗為：

對于電壓跟隨器，R1=∞，R2=0得到：

其中rd為開環輸入電阻，r0為開環輸出電阻，α為開環電壓放大倍數；

典型的rd是兆歐級甚至更大，而r0是百歐級。

從規格書上，我們知道：

TLV4333規格書

開環放大倍數α與開環增益AOL的關系為：

，典型值為125892.5412，最大值為3162277.66。

從而運放TLV4333的同相端輸入阻抗可以認為無窮大。

而從STM32F103的規格書中，可以查到I/O的輸入電流，如下：

輸入漏電流

從漏電流可以推算，其輸入電阻為MΩ級；

因此，運放的輸入電阻遠遠大于處理器IO口的輸入電阻；

因此，處理器I/O口的輸入電阻對電流采樣電阻的影響也遠大于運放的輸入電阻。

還需要注意的是，PCB的上面的漏電電阻也是會對精度產生影響的不可忽略的因素；

特別是在潮濕的環境中，而且PCB上堆積了灰塵，其漏電電阻可能低至百K級別。

遠小于運放輸入電阻，成為影響檢測精度的關鍵因素。

通過增加PCB走線之間的間隙，以及在PCB上噴三防漆，可以有效減少這一影響。

02濾波抗干擾

通過在運放端并聯濾波電容，構成有源低通濾波器，可以有效濾除高頻干擾；

另外，在最近的文章中，因為考慮到在信號前級還有一個信號隔離器，所有運放采用了簡單的信號單端輸入；

其缺點是沒辦法有效過濾從4-20mA信號的共模信號干擾；

進一步對電路進行改造，如下：

從而將單端輸入改為差分輸入，格外注意的是，下述電路僅為示意，因不滿足隔離以及共模輸入電壓的要求，并不能實際用于產品中。

在下一篇文章中詳細分析參數取值以及抗干擾的原理。

差分輸入電路

審核編輯：湯梓紅