在非電量測試中，處理傳感器的輸出電信號是放大器的重要應用。由于傳感器輸出阻抗大小不一，在具體設計中需要選擇輸入阻抗適合的放大器進行阻抗轉化，避免因為阻抗問題導致傳輸信號失真。本篇將討論輸入阻抗的模型與應用。 1 放大器輸入阻抗模型

電壓反饋型放大器與電流反饋型放大器的輸入阻抗結構完全不同。如圖2.144（a）為電壓反饋型放大器的輸入阻抗模型，具有差模和共模兩種輸入阻抗，偏置電流從阻抗無限大的電流源流入放大器輸入端。其中，共模輸入阻抗（Zcm+、Zcm–）是放大器任一輸入端與地之間阻抗，Zcm+、Zcm–阻抗值近似相同，數(shù)據(jù)手冊中通常不區(qū)分。差分輸入阻抗(Zdiff-)是放大器的兩個輸入端之間的阻抗。

圖2.144放大器輸入阻抗模型

阻抗呈現(xiàn)電阻與電容并聯(lián)形式，阻值范圍涵蓋為KΩ級至TΩ級，電容通常為pF級。如圖2.145為ADA4625-1共模輸入電阻為1TΩ，共模輸入電容為11.3pf,差模輸入電阻為1TΩ，差模輸入電容為8.6pf。

圖2.145 ADA4625輸入阻抗特性

如圖2.144（b）為電流反饋型放大器的輸入阻抗模型，Z+呈現(xiàn)阻性（KΩ級至MΩ級），并伴有電容，Z-呈現(xiàn)電抗性（電容、或電感）并伴有10Ω至100Ω電阻。

放大器高阻輸入特性是工程師在設計中所需要的，尤其在高內阻信號源的網(wǎng)絡中必須選擇更高輸入阻抗的放大器進行信號源的阻抗轉化。2019年6月中旬，筆者接到某地機器人控制領域工程師的咨詢電話，企業(yè)拓展新業(yè)務，正在研發(fā)新能源行業(yè)的電池包檢驗設備。工程師使用一款ADI公司24bit ∑Δ型ADC設計400V至1000V 電池包電壓測試設備。電路結構如圖2.146，前端R1~Rn是MΩ級精密電阻產生分壓，由模擬開關MUX控制分壓電阻的阻值，所產生的分壓由ADC采樣、量化為數(shù)字信號輸出到微處理器MCU 。

圖2.146 電池包電壓測試電路結構圖

測試中發(fā)現(xiàn)幾個問題，其中之一是ADC輸入端電壓值與設計的理論分壓值相差超過1V。針對該問題筆者與工程師分析信號網(wǎng)絡如圖1.147（a）。電池與MΩ級精密電阻（R1至Rn）構成傳感網(wǎng)絡端口，設計輸出電壓為式2-81。其中產生分壓的阻抗為Rm+1至Rn電阻之和。

信號處理電路的輸入阻抗是模擬開關阻抗RMUX與ADC輸入阻抗RADC之和。所以，傳感網(wǎng)絡端口實際輸出電壓Vo1為式2-82。

由于模擬開關阻抗RMUX與ADC輸入阻抗RADC之和小于傳感網(wǎng)絡端口的分壓阻抗,所以網(wǎng)絡級聯(lián)后的端口實際輸出電壓Vo1近似為式2-83。

因此筆者推薦使用ADA4622(參數(shù)如圖1)作為緩沖器電路在輸入端口進行阻抗轉換，如圖1.147（b）。信號處理輸入阻抗改善為模擬開關輸入電阻RMUX與放大器共模輸入阻抗Rcm之和，信號處理改善網(wǎng)絡與傳感網(wǎng)絡端口連接后的電壓Vo2為式2-84。

圖1 ADA4622輸入阻抗參數(shù)

由于放大器共模輸入阻抗Rcm遠大于傳感網(wǎng)絡的分壓阻抗，改善后的網(wǎng)絡端口電壓Vo2近似為式2-85。

可見，改善后的端口網(wǎng)絡電壓Vo2與所設計端口網(wǎng)絡電壓Vo近似相同。后續(xù)工程師使用指標近似的某品牌放大器，![圖片](https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/uZibyTDgJc9HAsVJs4JNKv0VZpW5SrmKncfvUbn4p8EINyJIq5PpMpHJvvSkboUfDa13a3SIibPG6Tzcxyb14Bew/640?wx_fmt=png&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1)是的，某品牌，完成驗證改善問題！

圖1.247 戴維南等效網(wǎng)絡示意圖

2 輸入電容對閉環(huán)回路帶寬影響與仿真

如上例，在很多應用中，工程師僅關心輸入電阻的大小，而忽略輸入電容的存在。放大器的輸入電容為pf級，在低內阻的信號源網(wǎng)絡中，放大器的輸入電容不會對帶寬產生限制。如圖2.148，當信號源內阻為零可以忽略時，以ADA4625-1的同相增益放大電路為例，增益為100倍（40dB），該增益處對應的ADA4625-1的開環(huán)增益曲線滿足-20dB/十倍頻的關系，通過增益帶寬積計算電路的閉環(huán)帶寬為：

圖2.148考慮輸入電容因素的同相放大電路

在信號源內阻Rs為1MΩ時，與放大器輸入共模電容構成一階RC電路，極點為：

對放大器輸入電容與帶寬關系仿真之前，先確認放大器的模型中是否包含輸入電容參數(shù)。如圖2.149，ADA4625-1的LTspice的模型中輸入電阻、電容參數(shù)與數(shù)據(jù)手冊相同。

圖2.149 ADA4625 SPICE網(wǎng)絡模型

然后，將ADA4625-1設計為幅頻特性的仿真電路，如圖2.150。

圖2.150 ADA4625-1同相放大電路幅頻特性仿真電路

當信號源Vin內阻Rser為0Ω時，針對幅頻特性進行AC分析的結果如圖2.151。在低頻范圍的閉環(huán)增益為40dB,閉環(huán)增益下降3dB(增益為37.016)的截至帶寬約為134.834KHz，考慮到數(shù)據(jù)手冊中增益帶寬積測試條件因素，該仿真結果可以接受。

圖2.151 低阻抗信號源激勵ADA4625-1電路的幅頻特性AC分析結果

在信號源Vin的內阻Rser為1MΩ時，針對幅頻特性進行AC分析的結果如圖2.152。閉環(huán)增益下降3dB（37.097dB）截至頻率為14.5514KHz,仿真結果近似于理論計算值14.08KHz。

圖2.152 高阻抗信號源激勵ADA4625-1電路的幅頻特性AC分析結果

綜上，在電壓型放大器輸入阻抗參數(shù)分析時，首先 **根據(jù)電路的結構，以及信號源阻抗的等級選擇適合輸入電阻的放大器** ，另外 **在交流高阻抗的信號處理電路中需結合輸入電容因素綜合評估** 。