基于信号调理芯片的运算放大器设计
2022年电子技术应用第11期
何贵昆1，马 奎1，2，杨发顺1，2
1.贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳550025；2.贵州省微纳电子与软件技术重点实验室，贵州 贵阳550025
摘要： 基于国内40 V双极型工艺设计了一种全差分运算放大器，应用于信号调理芯片的驱动模块，运放输出信号的幅值可通过外接电阻调节。整体电路结构包含输入级、中间级、输出级、反馈电路和基准电路。输入级电路引入电流并联负反馈实现电压到电流转换，通过外围电阻分流信号的一部分来设置主信号幅值。中间级采用共集-共射的电路结构，提高电压增益；功率输出级采用全NPN的B类结构，实现大功率输出，提高电路驱动能力。同时电路引入共模反馈的电阻网络，使输出共模电压集中在正负电源之间。在电源电压为±15 V条件下测试结果为：输出电压有效值幅值范围为1.488 V~18.57 V，直流失调电压为-169 mV，输出短路电流为65 mA，总谐波失真为-41.2 dB。
中图分类号： TN402文献标识码： ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222743
中文引用格式： 何贵昆，马奎，杨发顺. 基于信号调理芯片的运算放大器设计[J].电子技术应用，2022，48(11)：67-73.
英文引用格式： He Guikun，Ma Kui，Yang Fashun. Design of operational amplifier based on signal conditioning chip[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(11)：67-73.
中文引用格式： 何贵昆，马奎，杨发顺. 基于信号调理芯片的运算放大器设计[J].电子技术应用，2022，48(11)：67-73.
英文引用格式： He Guikun，Ma Kui，Yang Fashun. Design of operational amplifier based on signal conditioning chip[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(11)：67-73.
Design of operational amplifier based on signal conditioning chip
He Guikun1，Ma Kui1，2，Yang Fashun1，2
1.College of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China； 2.Key Laboratory of Micro-Nano-Electronics of Guizhou Province，Guiyang 550025，China
Abstract： Based on the domestic 40 V bipolar process, a fully differential operational amplifier is designed, which is applied to the driver module of the signal conditioning chip. The amplitude of the output signal of the operational amplifier can be adjusted by an external resistor. The overall circuit structure includes input stage, intermediate stage, output stage, bias circuit, feedback circuit and reference circuit. The input stage adopts a common base amplifier circuit, which has a wide operating frequency band; the intermediate stage adopts a common collector-common emitter circuit structure to improve the voltage gain; the power output stage constitutes a loop integrator and a resistor network that provides common mode feedback, so that the output common mode voltage is concentrated between the positive and negative power supplies, and the output signal amplitude can be adjusted by an external amplitude control resistor. When the power supply voltage is ±15 V, the test results are：the output voltage amplitude range is 1.488 V~18.57 V, the DC offset voltage is -169 mV, the output short-circuit current is 65 mA，and the total harmonic distortion is 41.2 dB.
Key words : operational amplifier；bipolar；all the difference；amplitude
0 引言
如今，与线性可变差动变压器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)式位移传感器结合使用的信号调理芯片正变得越来越流行。在工程应用中，有多种对LVDT传感器信号进行处理的方法，可以采用设计专门调理电路的方式，也可以采用专用集成芯片对信号进行处理，其中专用集成芯片由于内部通常集成了较为完整的LVDT信号调理子系统，包括振荡器、运算放大器等多个关键器件，通过增加几个外部无源器件就可以提供LVDT传感器所需的正弦波激励信号，相比设计电路的方式具有电路形式简单、集成度高等优势，在工程实践中得到了较为广泛的应用[1-3]。
信号调理芯片可将传感器机械位置转换为具有高精度和可重复性的单极或双极直流电压，并且它能使客户避免信号调节和系统校准问题。由于LVDT是电气变压器设备，要使用LVDT，需要有某种形式的交流电源来驱动初级，大多数标准商使用正弦波激励，幅度为几伏的有效值，频率在1 kHz和20 kHz之间。正弦波不必非常“纯净”，总谐波失真(THD)为2%到3%通常是可以接受的。重要的是激励信号的直流分量应保持较低，因为初级绕组中的直流电流会对LVDT性能产生严重影响，并且次级输出与激励振幅成正比，这意味着激励信号的幅值稳定性至关重要[4]。
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作者信息：
何贵昆1，马 奎1，2，杨发顺1，2
(1.贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳550025；2.贵州省微纳电子与软件技术重点实验室，贵州 贵阳550025)
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