放大器的输入阻抗参数与应用仿真

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。