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  • 差分运算放大电路,对共模信号得到有效抑制,而只对差分信号进行放大,因而得到广泛的应用。1、如下图是差分电路电路构型目标处理电压:是采集处理电压,比如在系统中像母线电压的采集处理,还有像交流电压的采集...

    差分运算放大电路,对共模信号得到有效抑制,而只对差分信号进行放大,因而得到广泛的应用。

    1、如下图是差分电路的电路构型

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    目标处理电压:是采集处理电压,比如在系统中像母线电压的采集处理,还有像交流电压的采集处理等。

    差分同相/反相分压电阻:为了得到适合运放处理的电压,需要将高压信号进行分压处理,如图中V1与V2两端的电压经过分压处理,最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。

    差分放大电路

    ①反馈,对于运算放大电路来说,运放工作在线性区,所以这里一定是负反馈,没有反馈(开环)或者是正反馈,那是比较器电路而不是放大电路,这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区,正因为饱和,输出才是电源电压的幅值。

    如下图是一种带正反馈的运放电路,这里就不能叫运算放大电路了,因为运放的开环放大倍数理想是无限大,当然实际中不可能无限大,所以如下结构是迟滞电压比较器,运放工作在非线性区或饱和区。

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    如下图,依然是电压比较器结构,上面已经提到,运放开环增益很大,不带负反馈,工作就如非线性区,当做电压比较器来使用。

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    运算放大器,反馈电阻从输出接到反相端"-"就是负反馈,当然在输出信号不超过电源电压时(注:一切信号的能量来源是电源,输出当然不可能超过电源幅值),实现的功能就是放大信号的功能;接到同相端"+"就是正反馈,电路功能是电压比较器。当然在实际当中我们并不提倡用运放去做电压比较器,而是选用专用的比较器,如LM339、LM393、LM211等,因为比较器和运放在实际当中内部器件的工作状态还是有区别的。

    比较器接了限流电阻—"R74、R77",这是因为比较器在幅值切换时,快速上升或下降沿对后级容性负载进行充放电,这个充放电电流确来自这个有源器件—比较器,因此加限流电阻目的是防止电流冲击。

    RC滤波:可以酌情调节,目的是防止输出过冲等信号失真问题

    2差分输入电压的计算

    如下电路,为了便于计算,我们给定每个阻值,差分电路的另一个特点是对称性,R40=R56以及R47=R55,差分分压两个之路电阻也是相等的。

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    Vin+和Vin-的值是如何计算的,我们先通过繁琐的计算来得到,然后再简化计算

    首先,运放的同相端5引脚和反相端6引脚,利用"虚短"得到,其中系数6是指6个100k的电阻,方便简化式子

    3fa1fa5e5528e51cac5270a3d50ace1b.png

    那么通过分压关系得到Vin+

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    再次通过分压关系得到Vin-

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    那么就得到Vin+ - Vin-的值

    其实还有一种简单方法得到Vin+ - Vin-的值,利用运放的虚短特点,可将电路等效为

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    233c453f98fd28f673c2addf3535fbe3.png

    所以要计算Vin+ -Vin-的值,变得很容易,只是一个简单的分压电路而已,如下计算得到

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    8f3a079ec858f190ba07b4dde65619fe.png

    得到差分电压输入值是0.84V

    3差分放大电路的计算

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    计算公式推导,依旧遵循运放的虚短和虚断特性,当R56=R40,R47=R55时,差分计算可以简化为:

    1ac3083b76fddc6f55c4f0b74a4b7741.png

    实际应用电路中,我们为了简化计算,也是用最简方法计算,经常使用电路也是使用上述电路,令电阻相等关系,简化计算。

    4放大电路的"偏移计算"

    为什么要对输出电压进行偏移,这是因为如当你采集负值时,我们的采样芯片和MCU几乎都不支持负值采样的时候,你就必须进行偏移,使得输出总是为正值。

    偏移电路,如下图,在原来同相端电阻接地GND的地方,我们接一个电压值,通常也称为偏移电压,那么最终表达式是什么。

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    通过叠加定理最终得到

    3383945efb5c265854133142889761f4.png

    这里公式的成立,保证R64=R72,R73=R57,那么最终得到偏移公式是在原来基础上加个电压偏移量2.5V_Ref

    65db9dd7aa45bfac0d2f1223eb7d45b5.png

    只要根据实际应用选择合适的偏移量,输出总会为一个正值

    比如,如下电路,输入电压变为-100V,那么最终输出电压就为

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    8cca70199ec54700bd993e4ddeb50527.png

    这样就将负电压偏移为正电压,处理器符合处理器处理要求了,偏移电路在采集如交流电、以及存在负直流电压的控制电路中广泛使用。

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    难得手工计算分析了一下,居然计算出来了,挺高兴的,之后要更努力

    分析的关键是放大器的虚短和虚断。

    首先看从V2经R3和R4到地这一回路。严格来说,经过R3的电流应该等于流进放大器正相输入端的电流和经过R4电阻的电流之和。但是放大器的输入端汲取的电流一般是很小的,可以忽略,也就是所谓虚断(放大器输入端电流视为0,类似断路)。

    这样上面的回路就成了一个简单的分压电路。V+(运放的正输入端电压)等于V2 * R4 / (R3 + R4)。

    上面应用了虚断的概念,现在应用运放的另一个概念虚短。就是运放一般工作在线性区时,正负两个输入端的电位几乎相同,好像是短路在一起(短路了电压就一致)。那么,V-就等于V+。

    接着,对V1,R1,R2一路列方程。(V-  - V1) / R1 = (Vout - V-) / R2。

    上下交叉相乘

    (V- - V1) * R2 = (Vout - V-) * R1

    各项乘出来

    V- * R2 - V1 * R2 = Vout * R1 - V- * R1

    移项

    Vout * R1 = V- * R2 - V1 * R2 + V- * R1

    合并

    Vout * R1 = V- * (R2 + R1) - V1 * R2

    将V+ 的表达式代入V-

    Vout * R1 = V2 * R4 / (R3 + R4) * (R2 + R1) - V1 * R2

    两边同除以R1,并整理,则得到最后的表达式

    Vout = V2 * R4 / (R3 + R4) * (R2 + R1) / R1 - V1 * (R2 / R1)

    关键就是虚短和虚断

     

     

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