微小电压测量放大电路的抗共模噪声设计方法

唐金元，王翠珍，于 潞

（海军航空工程学院青岛分院，山东 青岛 266041）

0 引 言

对微弱电信号进行放大是各种不同用途的电子测量仪器的关键部分——前置放大器的任务。前置放大器的灵敏度主要受到以下因素的影响：微弱电信号输出电路的输出阻抗（通常是变化的，会影响到后面放大电路的电压放大倍数）、放大器本身的背景噪声、放大器的输入失调和漂移、共模抑制能力等；因此，提高测量仪器前端放大电路的输入阻抗和共模抑制能力是至关重要的。前置放大电路通常选择输入阻抗和共模抑制比都很高的电路。场效应管放大电路和运算放大电路的输入阻抗均较大，但场效应管电路不能对共模干扰进行抑制，因此多选用运算放大器电路[1-2]。

1 运算放大器构成的前端放大电路

噪声分为串模噪声和共模噪声两种[1]。串模噪声指以串联方式与被测电压一起叠加在测量电路输入端的干扰电压，即干扰电压与信号源及测量电路输入端串联构成回路。共模干扰是同时加在两根测量线上的干扰电压，对两个输入端都有干扰作用。共模噪声往往很强，且可以转换为串模噪声，转换的条件是输入电路阻抗不平衡。若电路完全平衡，则共模噪声不能转化成串模噪声，就不能对测量结果形成干扰；但是，电路的完全平衡是很难做到的，总存在程度不同的不平衡，因而也总存在共模噪声的影响。

目前普遍利用运算放大器来放大微小电压信号[1]。由于信号很微弱，再考虑到测量现场的电磁干扰情况，通常噪声比较强，信号往往淹没在很强的噪声中，对信号的放大极为不利。这些噪声多以共模噪声的形态起作用，并且随气象环境等条件的变化而变化，会造成测量电压误差；因此，仅用低温漂的运算放大器不能解决这个问题。要解决这个问题，必须通过适当的电路连接方式解决共模噪声的干扰问题。

首先信号地和电路地要有相同的地电位，运放既可以采用反相放大，也可以采用同相放大形式，如图1所示。这样的布线形式不必担心共模噪声电压造成测量误差，可是在较长的电缆传输时这样做又会将差模噪声放大，这时可采用三线式传输方式。图2实线所示是两线式传输方式的反相放大器，en1是电路地线阻抗产生的电压降（差模噪声），en2是信号线的阻抗产生的电压降，输出为

若采用图2虚线所示的三线式传输方式时

en2带来的误差项减少了Ad倍，这样的布线方式可用于其他的单端输入电路；但是这样的单端输入型电路对于传输中耦合噪声抑制能力很差，要注意信号电缆所经过场所的噪声环境，布线要远离各种强干扰源，不要与其他大信号的电缆一起扎结或相平行。

图1 信号地与电路地为同一电位

图2 两线或三线式传输方式

微小电压信号的放大最适用的电路形式是平衡式差分放大电路[1，3]。在差分放大电路中使用双绞线或双芯同轴电缆进行信号接收，对干扰具有很好的抑制效果，如图3所示。当两个地之间有噪声影响时，其两根电缆所接收的噪声具有相同的振幅和相同的相位，是共模噪声。差分放大器仅对差分成分放大，并且放大倍数Ad很大，而对共模噪声的放大倍数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。

图3 完全平衡的差分放大电路

上述电路的平衡是非常重要的。即便放大器有很好的共模抑制比，若两个输入端因种种原因而导致不平衡，则共模噪声会变成差模噪声并被放大器放大，从而也使得信噪比下降。电路不平衡的原因主要有3个：（1）电阻值的误差，实际上电路的抗干扰效果在很大程度上依赖于这些电阻的精度。（2）由于前置衰减器造成的电路失衡。若衰减器的衰减比为1/M，运算放大器的同相允许输入为us，则可使衰减器的电压输入扩大到为Mus，这种衰减器的电阻平衡失配同样会造成电路的共模抑制比下降。电阻的平衡失配还不仅仅由于电阻的精度，还与电阻的分布电容、频率特性等因素有关，所以从装配布线到元件选择等都要加以注意。（3）运算放大电路的同相输入端和反相输入端的结构是基本对称，要完全对称很困难，特别在高频端更困难。

鉴于上述原因，在要求对微弱电信号进行精密测量时，需采用仪用对称放大电路[4-5]。

2 仪用对称前端放大电路

仪用对称放大电路[3-4，6]的结构是完全对称的。对称电路是指双线电路中的两根导线及其连接的所有电路对地或对其他导线都具有相同的阻抗（电路平衡）。电路对称的目的在于使这两根导线所检测的噪声相等，此时的噪声是共模噪声，可以在对称的负载上自行抵消。若再结合屏蔽保护可以进一步降低噪声和干扰。

对称放大电路如图4所示，它由3块集成运放以及外部电阻构成（又称三运放电路）。整个电路组成两级放大器。第一级是A1、A2运放和电阻R1、R2及RW组成的同相并联差分放大器，第二级为运放A3和电阻R3、R5、R4及R6组成的减法器。理想的减法器只放大uo1、uo2的差模部分，它将双端输入信号放大后变为单端输出，以适应后级放大器的要求。为了保证有足够大的共模抑制比，该电路的电阻需满足对称条件：R1=R2、R3=R4、R5=R6。对于放大器两个输入端的差值电压（差模电压），电路的输出电压为

差模电压增益可以达到一个较大的数值，且调节外接电阻RW可以方便地改变差模电压增益的大小；但是对于共模电压，当时，输出电压uo=0。可见，电路放大差模信号能够抑制共模信号，差模放大倍数越大，共模抑制比越大。

图4 仪用对称放大电路

仪用对称放大电路的结构在实际应用中对外围元件的公差要求严格，电阻、测量线的长度等参数需要完全对称也很难做到；因此，可采用带共模电压负反馈的仪用放大电路，以弥补上述仪用放大电路的不足。

3 强电磁环境中适用的改进型仪用放大电路

在某些电磁环境恶劣的场合采集微小电压信号时，强共模噪声足可以完全淹没信号，直接导致整个测量电路的阻塞，严重影响测量的准确度。为进一步提高电路的共模抑制比，可以在上述电路中加入共模电压的负反馈电路，以抵消共模噪声或其中的一部分[6-8]。电路如图5所示。

电路中A4是跟随器电路。C点电位为

仅考虑共模干扰电压uic时，C点电位为

图5 改进型仪用放大电路

可见，从C点可以提取共模干扰电压，将此电压反相后（负反馈）在信号的输入端与输入信号中的共模信号相加，达到减少等效输入的共模干扰电压，提高了共模抑制比。

4 长距离传输时改进型仪用放大电路

仪用放大器本身具有良好的共模抑制比，但是用它构成具体的测量电路后整个电路的共模抑制特性往往不尽人意，一个重要原因是输入信号传输电缆不对称，特别是在需要长距离传输被测信号的时候。放大电路具有良好共模抑制比的前提是电路结构对称，而输入信号传输电缆破坏了对称的电路结构，在此情况下，可采用下述改进电路。

在测量放大器的输入端增加一个由运放A4组成的跟随器电路[6]，如图6所示。被测信号采用双芯屏蔽电缆传输时，将跟随器的输出端与信号传输电缆的屏蔽层相接，使电缆的屏蔽层电位跟随放大器输入端的共模电位变化，即电缆屏蔽层与放大器输入端共模电位相同，于是共模信号在漏电阻和分布电容上的分压作用消失，测量放大器输入端就不存在由共模信号经分压产生的具有差模特征的电压，从而提高了整个测量电路的共模抑制能力。

图6 采用双芯传输线的改进型仪用放大电路

若采用单芯屏蔽电缆传输信号，则需要给两条信号线分别加跟随器，如图7所示。由于两根信号线屏蔽层的电位始终分别与信号线同电位，故它可以使漏电阻和分布电容对共模信号和差模信号都不起分压作用。这样不仅可以提高整个电路对共模信号抑制能力，而且还可大大降低传输线对信号中高频分量的传输衰减。

图7 采用单芯传输线的改进型仪用放大电路

采用上述两种方法，整个测量电路的共模抑制比可以保持在仪用放大器本身的数值上，可以防止信号传输电缆不对称产生新的共模干扰，尤其适合长距离传输信号。

5 结束语

运算放大器具有良好的共模抑制性能，但是在微小电压的实际测量中，由于电路的不平衡，使得共模噪声耦合进入放大电路带来的测量误差不可忽视；因此，解决电路的平衡性是至关重要的，仪用放大电路的输入平衡较好，能有效地抑制共模噪声。在强干扰电磁环境中和长距离传输测量信号时，还需要加入共模噪声的负反馈电路以抵消强共模噪声。经过改进的仪用放大电路能较好地减少噪声影响，较大提高测量微小电压信号的精确度。将图5所示改进型仪用放大电路用于发动机温度测量电路中，其共模噪声电压的峰峰值由10mV下降为1mV，效果较好。

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