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  • 实用差分运放电路

    2016-03-09 17:16:11
    实用差分运放电路 单电源下用普通运放实现轨对轨零电压输出。 可胜任仪表级运放功能。
  • 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。

    106ebfa28ea28ac6cb526580a289790e.png

    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。

    1d6a9050ba8943955239c8833a86a6b1.png

    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+

    6a10ba6af3b95e9b6dd58876b961a486.png

    再次通过分压关系得到Vin-

    3e9c4cf09ed8f6231ed805739370d237.png
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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

    8b284292b01daf76a72ee70838fa58b1.png
    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

    d314e32065daa1776de40ab79995c0e3.png

    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。

    df65da4bc649ee1ec9791d1bb1b936c6.png

    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

    5ef4018977c6c1559946cacaa41c3b0d.png
    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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    单电源差分运算放大电路

    问题描述

    最近要用压电陶瓷做一个有趣的东西,但是压电陶瓷的电压信号有点小,百毫伏级的,所以需要对其进行差分放大。大概浏览了一下主流的差分运算放大电路,基本上都是双电源方案,但是双电源方案在实际操作中很麻烦,也容易出错,所以需要找一个单电源供电的差分运算放大器电路。

    实现方案

    INA321是一款既可以双电源供电又可以单电源供电的芯片。基本结构很简单,如下图所示:
    在这里插入图片描述
    其中,电路的增益是由R2和R1的比值决定的:
    在这里插入图片描述
    典型增益下的R1和R2阻值表:
    在这里插入图片描述
    基本的连接电路很简单:
    在这里插入图片描述
    由上图可以看出,当我们需要单电源供电时,只需要将4脚接地就可以了。但是实际仿真中却不是这样的,在仿真中,需要对差分输入的一端提供一个2.5V的偏置,然后在输出端加隔直电容将直流分量滤掉就可以了,具体的电路如下图所示:
    在这里插入图片描述
    仿真的结果如下图所示:
    在这里插入图片描述
    仿真电路理论上放大了十倍,可以更改R1和R2的值来调整放大倍数。

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  • 差分_运放_运算放大器
  • 本帖承接《运放块输出失调电压消除,只需一个电阻》,序号5开头。
  • 单端输入差分放大电路输入信号的等效变换 单端输入差分放大电路输入信号的等效变换
  • U+=V2*R4/(R3+R4) (U- - V1)/R1 = (Vout-U-)/R2 解得: U- = (R1*Vout + R2 *V1)/(R1+R2) 由虚短虚断就有 U+= U- 解出 Vout = (R1+R2)/(R3+R4)*R4/R1* V2-R2/R1*V1 如果R1= R2 = R3 = R4 就有 Vout = V2-V1 ...

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    U+=V2*R4/(R3+R4) (U- - V1)/R1 = (Vout-U-)/R2 解得: U- = (R1*Vout + R2 *V1)/(R1+R2) 由虚短虚断就有 U+= U- 解出 Vout = (R1+R2)/(R3+R4)*R4/R1* V2-R2/R1*V1 如果R1= R2 = R3 = R4 就有 Vout = V2-V1 

     

    U+=V2*R4/(R3+R4)
    (U- - V1)/R1 = (Vout-U-)/R2   解得: U- =  (R1*Vout + R2 *V1)/(R1+R2)
    由虚短虚断就有 U+= U-
    解出    Vout = (R1+R2)/(R3+R4)*R4/R1* V2-R2/R1*V1
    如果R1= R2 = R3 = R4
    就有 Vout = V2-V1

     

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    差分放大电路的proteus仿真,已通过。可放心使用。
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    全差分放大器(Fully-Differential)是一种应用在将单端信号转换为差分信号,或者将差分信号转换为差分信号的芯片。...单端输入和差分输入的区别就在于一端接GND,其实搭建电路时和单端运放时就多了一个相同反馈回

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差分输入运放电路