差分放大电路的构成
 
直接耦合放大电路
 
零点漂移现象
 
 输入短接，输入为零的时候，输出不是一条直线，就是交流量不是零。
 一、产生原因
 温漂，温度变化使静态工作点发生变化，产生零点漂移
 二、抑制温漂的方法
 加射极电阻Re，问题在于直接耦合影响放大倍数
 
差分放大电路
 共模信号差模信号
 共模信号：大小相同方向相同的信号
 差模信号：大小相同方向相反的信号
 
差分放大电路是怎么构成的？
 
 在阻容式耦合电路里面，在射极加了电阻Re之后虽然可以很好的抑制零点漂移也就是Q点的浮动，但是阻容式耦合还在Re旁边并联了一个电容Ce，到了直接耦合的时候是不能加电容的，否则无法集成。不加旁路电容的话，就对电路的放大倍数产生了巨大的影响。所以要在交流当中消除这个影响，而在直流当中保持者Re的存在。想要消除零点漂移产生的影响，可以再做一个完全对称的电路，输出是两个对称电路输出的差值，当发生零点漂移的时候，两个完全对称的电路都产生漂移，这样相减的时候，就把零点漂移的影响全部去掉了。
 当两个电路完全对称的时候，可以把两个Re变成一个Re，上一段所说的虽然解决了零点漂移的影响，但是两个电路输入同样的交流信号的时候，输出也会被减掉，所以交流通路的问题没解决，这样的话就不能在电路的两边输入共模信号，因为两个共模信号的放大也会被减成零，所以把两端的输入信号改成差模信号，这样一来，在交流通路里面两个相减就是完整的输出信号。
 再看Re的作用，直流通路中两个IE同时加在Re上，这样Re的作用就被扩大了两倍，能非常好的抑制温漂。交流通路中，因为输入的是差模信号，两个ie大小相同方向相反，Re上没有电流，Re就在交流通路中消失了。
 关于-VEE，按照以前一边加一个VBB交流信号的输入是浮空的，这很不好，所以将基极的两个VBB去掉，选择在发射极结一个VEE，效果是相同的，交流信号的输入一端也能接到地上，增加了信号的稳定性。
 差分放大电路里面共模信号是干扰。
 
 
 长尾式差分放大电路的分析
 1.共模的时候Ui1=Ui2 Uo=0 Auc=0
 2.差模的时候Ui1=-Ui2
 
 
 
 

 双端输入双端输出、双端输入单端输出的分析
 
 
单端输入双端输出
 
 单端输入双端输出可以等效成双端输入双端输出。
 
具有恒流源的差分放大电路
 在使用的过程中，希望的是Re特别大，但是问题在于Re很大了之后，发射极可能无法导通，需要增加Vee的大小，所以希望的是能有一个内阻很大而且有稳定电流输出的电路，如下，使用三极管通过调节R1、R2、R3可以获得IC3=IE1+IE2
 
 将电路画法简化之后如下
 

 差分放大电路常放在输入端去抢信号，所以希望输入电阻很大，可以使用MOS管代替三极管，因为栅极与源极之间断路，所以输入电阻特别大。
 

 
放大器调整输出信号共模电压——放大器电路设计思路
 
放大器必须掌握的知识
明确设计要求
设计要求
波形示意图
  
设计一个符合要求的放大器电路应该怎么思考
心路历程
灵魂解法
  
注意事项
仿真
方法1
方法2
方法3
  
总结与展望

 
放大器必须掌握的知识
 
关于放大器中的SR参数.
放大器，还是衰减器，或两者皆可？.
再谈运放SlewRate-SR.
CMRR在测量差分小信号时的重要性——输出误差分析.
运算放大器为什么不能用作比较器.
 
明确设计要求
 
设计要求
 
有两路差分信号，假设为sin+/sin-，信号Vpp=0.5V，共模电压=2.5V，要求把差分信号±sin转成单端信号sin，且波形幅值范围在[0, 3.3V]。
 
波形示意图
 
 
设计一个符合要求的放大器电路应该怎么思考
 
心路历程
 
 
step1：
 明确输入波形的最大频率f，最大峰峰值Vpp，能用表达式表示出来那就更好了。例如本文中提出的差分sin，其实是光栅编码器读数头在供电5V时输出的单路共模电压=2.5V，峰峰值=0.5Vpp的sin波，那就很好用表达式表述：
 sin+ = 0.25sin(θ)+2.5；
 sin- = -0.25sin(θ)+2.5;
 
 
step2：
 对输出波形的要求，就是说想输出什么样的波形，能用表达式表示出来更好。例如本文中要求的输出波形的共模电压=1.65V，峰峰值=3.3Vpp，那是因为ADC的输入信号满量程范围是[0—3.3V].于是也可以用表达式描述：
 sin = 1.65sin(θ)+1.65;
 
 
step3：
 放大器选型。（根据项目需求的不同，放大器的选型严格程度也不同，不得不承认那是个技术活，主要是那几个参数压摆率SR，满功率带宽积FPBW，偏置电压Offset voltage等等，不是本文重点，不做展开讲解，以后用实际项目再解释放大器选型）
 
 
step4:
 那么问题来了，怎么样才能将输入波形从共模电压2.5V给降到1.65V呢？于是就会这么想，放大器可以组成很多功能的电路，比如反相放大器器，正向放大器，加法器，积分器，减法器。。。，好像减法器有戏。那减法器长什么样子呢？从网上找一个标准的减法器，如下图（其实是我画的）。
 
 
 
step5：
 减法器好像能行，那怎么确定那些阻值呢？其实上面那个图基本上就是差分放大器内部结构。
 （其实像这种差分转单端的应用，有专门的差分放大器可用，基本上就是Vout=A-B，倍数也可以调，但也同样面临电阻值设置的问题）
 
 
灵魂解法
 
已经知道了输入输出的表达式；
sin(θ)有最大值1，此时应该对应输出的最大值3.3V，最小值-1应该对应输出最小值0；
那么我们有两个已知条件，可以求出两个未知数，即电路中的两个未知电阻值；
人为设定R1=R2=10kΩ，一方面10这个数字好计算，两一方面阻值太大会引入电阻热噪声甚至大幅削弱信号能量，比如用个1GΩ，那信号就阻断了，太小了可能会让放大器震荡，有时候datasheet会推荐这个阻值，有时候凭着经验觉得这个值就行，那就这个值吧（我在实际中测试过了，可行）。令R3=xkΩ，R4=ykΩ；如下图
 
虚短虚断利用起来，得到Vout的表达式；我已经算好了：
 
 把值带进去就得到：
 
 前面已经提到有两个已知条件：
 当sin(θ)=1时，Vout=3.3，
 当sin(θ)=-1时，Vout=0；
 带入公式中，是不是有初中学的二元一次方程组内味了。
我们用matlab解二元一次方程组：
 
syms x y;
[x y]=solve((x*(10+y))/(10*(10+x))*(0.25+2.5)-y/10*(-0.25+2.5)==3.3,(x*(10+y))/(10*(10+x))*(-0.25+2.5)-y/10*(+0.25+2.5)==0)
 
得到：x=106.7647kΩ，y=29.7kΩ；
 
注意事项
 
本文用的是rail-to-rail 放大器，ADI公司的AD8544
 
仿真
 
方法1
 
用TI的TINA软件仿真，选用rail-to-rail 放大器进行仿真；
 
方法2
 
用matlab仿真，不是用Simulink，而是仿真用虚短虚断求出来的Vout公式，
 
%共模2.5V
sin_p=0.25.*sin(x)+2.5;	%sin+表达式
sin_n=-0.25.*sin(x)+2.5; %sin-表达式
sin=3.63.*sin_p-2.97.*sin_n; %Vout表达式，3.63/2.97是把已知值带进去直接算出来的
plot(sin_p)
hold on
plot(sin_n)
hold on
plot(sin)
max(sin)
min(sin)
 

 由上图可以看出，求出的R3,R4的值可以满足我们需要的范围[0, 3.3V]。
 
方法3
 
实际搭电路测试。我是直接用光栅读数头输出的差分sin进行电路测试，实际结果跟matlab仿真结果基本一致。
 
总结与展望
 
本文中设计要求输出范围在[0, 3.3V],在设计时不会把输出值卡的正好，都会留出一定的裕量，例如这次我只把输出范围调在了[0.1, 3.2V],这样可以增加系统的鲁棒性；
一切的仿真都是理论，一定要搭电路测试电路模块的正确性，然后再集成到系统中；
放大器电路的设计思路一般都是从后往前推；

该系列为《模拟电子技术基础（第5版，童诗白、华成英）》的阅读笔记
 

 
 
 
差分放大电路
1.差分放大电路的组成
2.长尾式差分放大电路
2.1 对共模信号的抑制作用
2.2 对差模信号的放大作用
2.3电压传输特性
2.4 差分放大电路的四种接法
  
 

 
差分放大电路
 
差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路，常作为集成运放的输入级。
 
1.差分放大电路的组成
 
差分放大电路是由典型的工作点稳定电路演变而来的。
 若基极电阻Rb上的静态电压可忽略不计，则发射极的静态电流IEQ约等于（VBB-UBEQ）/R，因而可以认为其Q点基本稳定。但是，如果仔细研究在温度变化时Q点的稳定过程，就不难发现，最终集电极电流ICQ会有微小的变化；而且也正是这种变化在发射极电阻Re上产生变化的电压（即负反馈电压），影响了晶体管的b-e间静态电压，才达到减小温漂的目的。可以想象只要采用直接耦合方式，这种变化就会逐级放大。
 

 图1.1差分放大电路的组成
 （a）带有Re负反馈电阻
 （b）带有温控的电压源
 （c）对称式电路加共模信号
 （d）加差模信号
 （e）实用差分放大电路
 
如（b）所示，改变电压输出端，并能寻找到一个受温度控制的直流电压源V，当晶体管集电极静态电位UCQ变化时，V始终与之保持相等，那么输出电压中只有动态信号uI作用的部分了，而与静态工作点位UCQ及其温度漂移毫无关系。
 可以想象，如果采用与图（b）所示电路参数完全相同，管子特性也完全相同的电路，你们两只管子的集电极静态电位在温度变化时也将时时相等，电路以两只管子集电极电位差作为输出，就克服了温度票是，如图（c）所示。
 如图（c）所示，当uI1与uI2所加信号为大小相等、极性相同的输入信号（共模信号）时，由于电路参数对称，T1管和T2管所产生的电流变化相等；因此集电极电位的变化也相等。
 所以差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用，也参数理想对称的情况下，共模输出为零。
 
为使信号得以放大，需将其分成大小相等的两部分，按相反极性加在电路的两个输入端，称这种大小相等极性相反的信号为差模信号。
 由于uI1=-uI2，又由于电路参数对称，T1管和T2管所产生的电流的变化大小相等而变化方向相反。
 因此集电极电位的变化也是大小相等且变化方向相反的。
 从而实现了电压放大。
 但是由于图（c）中Re1和Re2的存在使电路的电压放大能力变差，当它们数值较大时，并且不能放大。
 
研究差模输入信号作用时，T1管和T2管发射极电流的变化，就会发现，它们与基极电流一样，变化量的大小相等方向相反。
 若将T1管和T2管的发射极连在一起，将Re1和Re2合二为一，成为一个电阻Re，如图（d）所示，则在差模信号作用下Re中的电流变化为零，即Re对差模信号无反馈作用，相当于短路，因此大大提高了对差模信号的放大能力。
 也称之为差动放大电路，所谓“差动”，是指只有当两个输入端之间的电位有差别（即变换量）时，输出电压才有变动（即变换量）的意思。
 
对于差分放大电路的分析，多是在电路参数理想对称情况下进行的。
 所谓电路参数理想对称，是指在对称位置的电阻值绝对相等，两只晶体管在任何温度下输入特性曲线与输出特性曲线均完全重合。
 
任何分立元件差分放大电路的参数不可能理想对称，也就不可能完全抑制零点漂移；而在集成电路中，由于相邻元件具有良好的对称性，故能够实现趋于参数理想对称的差分放大电路。
 
2.长尾式差分放大电路
 
如图2.1所示为典型的差分放大电路。
 由于Re接负电压-VEE，拖一个微博，故称为长尾式电路，电路参数理想对称，T1管和T2管的特性相同，Re为公共的发射极电阻。
 
 图2.1 长尾式差分放大电路
 
2.1 对共模信号的抑制作用
 
从差分放大电路组成的分析可知，电路参数的对称性起了相互补充的作用，抑制了温度漂移。
 当电路输入共模信号时如图2.2所示，基极电流和集电极电流的变化量相等。
 因此集电极电位的变化也相等，从而使得输出电压uo=0，即对共模信号不放大。
 由于电路参数的理想对称性，温度变化时，管子的电流变化完全相同，故可以将温度漂移等效成共模信号。
 
 图2.2 差分放大电路输入共模信号
 
实际上，差分放大电路对共模信号的抑制，不但利用了电路参数对对称性所起的补充作用，使两只晶体管的集电极电位变化相等；而且还利用了发射极电阻Re对共模信号的负反馈作用，抑制了每只晶体管集电极电流的变化，从而抑制集电极电位的变化。
 从图2.2中可以看出，当共模信号作用于电路时，两只管子发射极电流的变换量相等。
 由于Re对共模信号起负反馈作用，故称之为共模负反馈电阻。
 Re的取值不宜过大，它受电源电压VEE的限制。
 它们可以是缓慢变化的信号，也可以是正弦交流信号。
 
2.2 对差模信号的放大作用
 
虽然差分放大电路用了两只晶体管，但它的电压放大能力只相当于胆管共射放大电路。
 因而，差分放大电路是以牺牲一只管子的放大倍数为代价来换取低温漂的效果。
 
共模抑制比：差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力。
 该值越大，说明电路性能越好。
 
2.3电压传输特性
 
电压传输特性：放大电路输出电压与输入电压之间的关系曲线。
 
2.4 差分放大电路的四种接法
 
输入端与输出端均没有接“地”点，称为双端输入，双端输出电路。
 在实际应用中，为了防止干扰和负载的安全，常将信号源的一端接地，或将负载电阻的一端接地。
 
①双端输入，双端输出
 ②双端输入，单端输出
 ③单端输入，双端输出
 ④单端输入，单端输出
 
①双端输入，双端输出
 输入端与输出端均没有接“地”点，称为双端输入，双端输出电路。
 
②双端输入，单端输出
 只在输出端不同，其负载电阻RL的一端接T1管的集电极，另一端接地。它的输出回路已不对称，因此影响了它的静态工作点和动态参数。
 
③单端输入，双端输出
 
④单端输入，单端输出

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经常做脑电实验，大家或多或少听说过差分电路，差分放大器等术语，但是，关于EEG放大器为什么要使用差分放大电路这种设计，你了解多少呢？下面请跟随我来了解一下吧。
 
差分放大电路又被称为差动放大电路。所谓差动其实指的是当电路上的两个输入端的电压有差异时，输出电压就会有变化。
 
 
图1 差分放大电路
 
先来了解几个概念：
 
共模信号：大小相同且相位相同的信号
差模信号：大小相同但相位相反的信号
 
图2 共模信号（左）和差模信号（右）
 
差模放大倍数：在差动放大电路中有两个输入端，当我们在这两个输入端上分别输入大小相等、相位相反的信号时，放大器能产生很大的放大倍数，这时的放大倍数叫做差模放大倍数。
共模放大倍数：在差动放大电路中，有两个输入端，当在这两个输入端上分别输入大小相等、相位相同的信号时，放大器这时的放大倍数叫做共模放大倍数。因差动放大电路的构造特点，电路对共模信号有很强的负反馈，所以共模放大倍数很小。(一般都小于1)
为了说明差动放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示。
 
我们熟悉的脑电放大器所使用的通常是由2个输入端（输入端1，输入端2）和1个输出端组成的电路。一般来讲，来自环境中的干扰信号（噪声）会同时进入放大器两个输入端，这就使得干扰信号的位相和电压相同（共模信号），因此会被差分放大器抑制，放大倍数寥寥无几，所以差分电路可以起到抗干扰的目的。
 
我们记录的电生理信号，通常是在受试者身体放置2个电极，而来自两个不同记录电极的电生理信号存在一定的电压差和位相差，可通过差分放大而显示出来。因此我们看到的EEG信号，其实都是两个记录点之间的电位差。
 
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