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  • 三运放差分放大电路
    2020-12-23 03:04:50

    这里仅仅提供一个设计方法和思路,在实际应用当考虑电源的杂讯以及一些

    Bypass

    的电容

    例如在

    LM324

    电源接一些

    100uF ,0.01uF

    的电容,这些电容尽量靠近

    LM324

    当然如果不是局限

    LM324

    的应用,

    市面上有许多这样兜售的零件例如

    TI

    INA122

    INA154

    ADI

    AD620

    AD628

    等等,而且频带宽和噪声系数都很好

    这些运放在放大的时候单级尽量不要超过

    40dB

    (

    100

    倍),避免噪声过大

    这里设计的是理论值而已

    举例设计

    :

    设计一个仪表放大器其增益可以在

    1V/V

    范围内变化

    设计一个微调可以优化

    CMRR

    1

    将一颗

    100K

    的可变电阻串入替代

    RG

    串入线路中,

    并串入一颗

    R4

    避免串入的可调=

    0

    有余

    A1>1V/V ,

    为了允许

    A

    能一直降到

    1V/V

    要求

    A2<1V/V.

    任意选定

    A2

    R2/R1

    0.5V/V

    并设置

    R1

    100K

    R2

    49.9K

    精度

    1

    %,根据上面公式

    A1

    必须从

    2V/V

    2000V/V

    内可以变动。在这个极值

    上有

    2

    1

    2R3/(R4+100K)

    2000

    1

    2R3/(R4+0).

    以上求得

    R4

    50

    欧姆,

    R3=50K

    ,精

    1

    2

    CMRR

    将接地的

    49.9K

    电阻,裁成

    R6.R7

    (可变)

    R6=47.5K

    R7=5K

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    差分输入放大电路公式得来?.png

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    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

    15a026485e12201eaf0f4c49b945b979.png

    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。

    afc5aab6ee2c7081bab6941537f5feee.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。

    52975a636cb17e53b040f26a75a78641.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。

    7733979f005e185e626cdde7e09c6090.png

    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

    94169322030326002e1549a02537940c.png

    那么通过分压关系得到Vin+

    8554351837b42bf499cd5762929eae66.png

    再次通过分压关系得到Vin-

    d2824afb587797b4b278020e41fbd728.png
    6a7276aaaca30446441e0cc1533410b4.png

    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

    f5eaffe8542c4e546e6d2683fde8d616.png
    67095b044df01a3aa88847c5f4db3a46.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

    bcfb7019689668642e0e9aed560b5b0e.png
    826e213f5c38753bcd594f52ac67e27c.png

    得到差分电压输入值是0.84V

    3差分放大电路的计算

    1a3248803348815108cf006237f1d165.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:

    5dfe985482c715aa20587d72a6ffa377.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。

    f8b0ac3abd331f485d684ed12647fa57.png

    通过叠加定理最终得到

    e687df0eee9df34702d845556b3958bc.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

    718e13294e32b48be1b118897fd38169.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

    55b73d9a005707c70b1050893d16353c.png
    a8c64f70ee6a73a6b19c3d9def60ce53.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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    1、什么是差分信号?为什么要用差分信号?

    两个芯片要通信,我们把它们用一根导线连接起来,一个传输 1,另一个接受 1,一个传输 0,另一个接受 0,不是很好吗?为什么还要搞其他的花花肠子。

    因为有干扰,各种各样的干扰,比如温度,电磁辐射等等,这些干扰使得传输的 1 不再是理想的 1,传输的 0 也不再是理想的 0,但是这些干扰几乎都有一个共同的特点,就是它对这条导线的干扰和它对这条导线附近导线的干扰是一样的。

    利用这个特点,我们用两个导线传输信号,一条导线传输我们要传输的信号 1010,另一条导线传输和他相反的信号 0101,在接收端,我们把这两个信号做差,那么就会接收到 1 -1 1 -1 这样的信号,再通过电平转换或其他的手段就可以恢复出 1010 这个我们要传输的信号。干扰在做差的过程中被消除掉了。

    a3e43cc566a750357a83ddea413be97c.png

    2、差分放大电路基本结构

    所有的电子元器件的特性都会受到温度的影响,其中半导体材料受到影响的程度最大。对于 PN 结来说,温度系数为 -2.5mV/°C,表示温度每升高 1°C,二极管或三极管的管压降就会降低 2.5mV,可以想象,温度高到一定程度的时候,二极管的正向导通反向截止的特性也就不存在了,所有的半导体都无法正常工作了。

    在共射放大电路中,电路基础:Lec16- 共射放大电路的设计,温度的变化会产生三极管基极和发射极之间电压的变化△Ube,这种现象成为“温漂”。

    利用差分信号的思想,我们建立上面电路图,输入端(Ui1-Ui2),输出端(Uo1-Uo2),就可以解决温漂的问题。温漂干扰在做差的过程中被消除掉了。

    3、长尾式差分电路

    一个更实用的设计是采用长尾式差分电路,如图所示,这个电路可就厉害了,它可以

    d8e2c58bc31c54cb29084e841a8cae6e.png

    单端输入,单端输出,放大倍数是普通共射放大电路的 1/2 倍。单端输入,差分输出,放大倍数是普通共射放大电路的 1 倍。差分输入,单端输出,放大倍数是普通共射放大电路的 1。差分输入,差分输出,放大倍数是普通共射放大电路的 2。这个电路之所以强大,是因为当温度变化时,产生了△Ube,但是它通过引入一个恒流源补偿△Ube,从而使 Re 两端的电压保持不变,这样流过 Re 的电流也不变,导出流过 Rc 的电流不变,最终输出的 Vo 不变。

    其中,ui 表示输入信号,ube 表示三极管基极和集电极之间的电压差,它是温度的函数。现在我们只考虑温漂,ui 保持不变。只看温度变化对输出的影响。对这个式子两端求导可得下式,这个式子表明温漂引起的△Ube 会被△Ve 所补偿。

    长尾式差分电路的仿真结果如下,从结果可以看出当单端信号输入时,单端输出的放大倍数是普通共射放大电路的 1/2。放大倍数可以利用公式 1 对 Ui 求导推出,这里不再推导。

    4. 差分电路的作用

    差分放大电路对共模输入信号有很强的抑制能力,对差模信号却没有多大的影响,因此差分放大电路一般做集成运算的输入级和中间级,可以抑制由外界条件的变化带给电路的影响,如温度噪声等。你可以去找一些集成电路看一下,第一级基本上都是差分放大。

    5. 差分放大电路应用

    电路一:

    用运放做电流采样,再用单片机 AD 采集处理。

    a87e92d026db91cb2edb94a424a005e7.png

    注:

    1、Rp10、Rp11、Cp8、Cp9,是对输入做的 RC 滤波,后面的 Rp15 和 Cp11 是对输出做的 RC 滤波。

    2、Rp16 是为了防止运放输出不够低的现象,电阻的阻值不宜过大过小,根据运放的阻抗选择。

    3、Dp6 是为了防止输出端电压过高,烧坏 CPU 的 IO 口。

    4、Rp12=Rp13,Rp14=R10。Vout=Rp14/Rp12*(Vin+-Vin-)。

    44981c4d4201ab8a1cdaec0fb4f5ac8f.png

    注:

    差分放大电路不再说了,这个电路是为了避免运放到了输出低端非线性的问题。

    Vout=Rc9/Rc8*(Vin+-Vin-)+基准电压值。具体的计算过于复杂,不再说明。

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