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，數據手冊中通常不區分。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

阻抗呈現電阻與電容并聯形式，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+呈現阻性（KΩ級至MΩ級），并伴有電容，Z-呈現電抗性（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，企業拓展新業務，正在研發新能源行業的電池包檢驗設備。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

測試中發現幾個問題，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絡如圖1.147（a）。電池與MΩ級精密電阻（R1至Rn）構成傳感網絡端口，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之和小于傳感網絡端口的分壓阻抗,所以網絡級聯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，信號處理改善網絡與傳感網絡端口連接后的電壓Vo2為式2-84。

圖1 ADA4622輸入阻抗參數

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

可見，改善后的端口網絡電壓Vo2與所設計端口網絡電壓Vo近似相同。后續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 戴維南等效網絡示意圖

2 輸入電容對閉環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。如圖2.149，ADA4625-1的LTspice的模型中輸入電阻、電容參數與數據手冊相同。

圖2.149 ADA4625 SPICE網絡模型

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。在低頻范圍的閉環增益為40dB,閉環增益下降3dB(增益為37.016)的截至帶寬約為134.834KHz，考慮到數據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分析時，首先 **根據電路的結構，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** 。