差分運(yùn)算放大電路原理解析

差分運(yùn)算放大電路，對(duì)共模信號(hào)得到有效抑制，而只對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，因而得到廣泛的用。

差分電路的電路構(gòu)型

圖1 差分電路

目標(biāo)處理電壓：是采集處理電壓，比如在系統(tǒng)中像母線電壓的采集處理，還有像交流電壓的采集處理等。

差分同相/反相分壓電阻：為了得到適合運(yùn)放處理的電壓，需要將高壓信號(hào)進(jìn)行分壓處理，如圖1中V1與V2兩端的電壓經(jīng)過(guò)分壓處理，最終得到適合運(yùn)放處理的電壓Vin+與Vin-。

差分放大電路：

反饋，對(duì)于運(yùn)算放大電路來(lái)說(shuō)，運(yùn)放工作在線性區(qū)，所以這里一定是負(fù)反饋，沒(méi)有反饋(開(kāi)環(huán))或者是正反饋，那是比較器電路而不是放大電路，這時(shí)候運(yùn)放工作在飽和區(qū)或稱(chēng)為非線性工作區(qū)，正因?yàn)轱柡停?/p>

輸出才是電源電壓的幅值。

圖2是一種帶正反饋的運(yùn)放電路，這里就不能叫運(yùn)算放大電路了，因?yàn)檫\(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)理想是無(wú)限大，當(dāng)然實(shí)際中不可能無(wú)限大，所以如下結(jié)構(gòu)是遲滯電壓比較器，運(yùn)放工作在非線性區(qū)或飽和區(qū)。

圖2

圖3，依然是電壓比較器結(jié)構(gòu)，上面已經(jīng)提到，運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益很大，不帶負(fù)反饋，工作就如非線性區(qū)，當(dāng)做電壓比較器來(lái)使用。

圖3運(yùn)算放大器，反饋電阻從輸出接到反相端"-"就是負(fù)反饋，當(dāng)然在輸出信號(hào)不超過(guò)電源電壓時(shí)(注：一切信號(hào)的能量來(lái)源是電源，輸出當(dāng)然不可能超過(guò)電源幅值)，實(shí)現(xiàn)的功能就是放大信號(hào)的功能;接到同相端"+"就是正反饋，電路功能是電壓比較器。當(dāng)然在實(shí)際當(dāng)中我們并不提倡用運(yùn)放去做電壓比較器，而是選用專(zhuān)用的比較器，如LM339、LM393、LM211等，因?yàn)楸容^器和運(yùn)放在實(shí)際當(dāng)中內(nèi)部器件的工作狀態(tài)還是有區(qū)別的。

比較器接了限流電阻—"R74、R77"，這是因?yàn)楸容^器在幅值切換時(shí)，快速上升或下降沿對(duì)后級(jí)容性負(fù)載進(jìn)行充放電，這個(gè)充放電電流確來(lái)自這個(gè)有源器件—比較器，因此加限流電阻目的是防止電流沖擊。

RC濾波：可以酌情調(diào)節(jié)，目的是防止輸出過(guò)沖等信號(hào)失真問(wèn)題

差分輸入電壓的計(jì)算

圖4電路，為了便于計(jì)算，我們給定每個(gè)阻值。

差分電路的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)稱(chēng)性，R40=R56及R47=R55，差分分壓兩個(gè)支路電阻也是相等的。

圖4

Vin+和Vin-的值是如何計(jì)算的?

我們先通過(guò)繁瑣的計(jì)算來(lái)得到，然后再簡(jiǎn)化計(jì)算。

首先，運(yùn)放的同相端5引腳和反相端6引腳，利用"虛短"得到，其中系數(shù)6是指6個(gè)100k的電阻，方便簡(jiǎn)化式子：

那么通過(guò)分壓關(guān)系得到Vin+：

再次通過(guò)分壓關(guān)系得到Vin-：

那么就得到Vin+減Vin-的值。

其實(shí)還有一種簡(jiǎn)單方法得到Vin+減Vin-的值，利用運(yùn)放的虛短特點(diǎn)，可將電路等效為：

圖5

圖6

所以要計(jì)算Vin+減Vin-的值，變得很容易，只是一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓電路而已，如下計(jì)算得到：

得到差分電壓輸入值是0.84V。

差分放大電路的計(jì)算

圖7

計(jì)算公式推導(dǎo)，依舊遵循運(yùn)放的虛短和虛斷特性，當(dāng)R56=R40，R47=R55時(shí)，差分計(jì)算可以簡(jiǎn)化為：

實(shí)際應(yīng)用電路中，我們?yōu)榱撕?jiǎn)化計(jì)算，也是用最簡(jiǎn)方法計(jì)算，經(jīng)常使用的電路也是上述電路，令電阻相等關(guān)系，簡(jiǎn)化計(jì)算。

放大電路的"偏移計(jì)算"

為什么要對(duì)輸出電壓進(jìn)行偏移?這是因?yàn)槿绠?dāng)采集負(fù)值時(shí)，我們的采樣芯片和MCU幾乎都不支持負(fù)值采樣的時(shí)候，你就必須進(jìn)行偏移，使得輸出總是為正值。

偏移電路，如圖8，在原來(lái)同相端電阻接地GND的地方，我們接一個(gè)電壓值，通常也稱(chēng)為偏移電壓。那么最終表達(dá)式是什么?

圖8

通過(guò)疊加定理最終得到：

這里公式的成立，保證R64=R72，R73=R57，那么最終得到偏移公式是在原來(lái)基礎(chǔ)上加個(gè)電壓偏移量2.5V_Ref：

只要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的偏移量，輸出總會(huì)為一個(gè)正值。

圖9

比如，圖9電路，輸入電壓變?yōu)?100V，那么最終輸出電壓就為：

這樣就將負(fù)電壓偏移為正電壓，處理器符合處理器處理要求了，偏移電路在采集如交流電、以及存在負(fù)直流電壓的控制電路中廣泛使用。

審核編輯：湯梓紅