常規(guī)放大電路和差分放大電路設(shè)計(jì)

0、小敘閑言

有一個(gè)兩相四線的步進(jìn)電機(jī)，需測量其A、B兩相的電流大小，電機(jī)線圈的電阻為0.6Ω，電感為2.2mH。打算在A、B相各串接一個(gè)0.1Ω的采樣電阻，然后通過放大電路，送到單片機(jī)采樣（STM32，12位AD采樣），放大的電壓值是最大應(yīng)為3v。電路如下。我在這里討論其中的采樣放大電路。很多東西平時(shí)在書本上學(xué)到爛熟，但真正在實(shí)戰(zhàn)時(shí)，還是碰到了不少問題。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。因此，在這里總結(jié)一下，供自己學(xué)習(xí)之用，或許也可給大家一點(diǎn)點(diǎn)幫助。

圖1 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1、常規(guī)放大電路

這里暫時(shí)不討論放大電路的工作原理，直接使用放大器的虛短（短路）和虛斷（斷路）性質(zhì)來分析這一類電路，之所以在前面加個(gè)虛字，是因?yàn)榉糯笃鞯膬啥瞬⒉皇钦嬲亩搪坊驍嗦?。如下圖所示，虛短：UP=UN，虛斷：IP=0; IN=0。無論放大器接在何種電路中，這兩個(gè)式子都是成立的。

圖2 放大器性質(zhì)

1.1、電壓跟隨器

電壓跟隨，聽名字應(yīng)該就能想到，它的作用就是輸出電壓Uo應(yīng)該是隨著輸入電壓Ui變化而變化的（Uo=Ui），如下圖所示，由上面講到的虛短性質(zhì)，很容易得到Ui=Up=Un=Uo。有人會(huì)疑問，直接把Ui接到Uo，豈不是更加方便，要這個(gè)做什么。這個(gè)就要看電路需求而定了。電壓跟隨器的作用一般是起到隔離的作用，輸入的電流太大的話，也不影響到輸出的電流。

圖3 電壓跟隨器電路圖

1.2、電壓放大電路

說了這么多，也沒有看到放大器起到放大的作用，那么它是如下做到放大的電壓作用的呢，且看下面這個(gè)電路。

圖4 電壓放大電路

從圖4可以看到電路將輸入電壓放大了-3倍，這個(gè)負(fù)號(hào)來源，在圖4中的公式推導(dǎo)已經(jīng)說得很明白了。充分利用虛短和虛斷的性質(zhì)，加上外接電路，可以實(shí)現(xiàn)放大電壓的功能（當(dāng)然也可以縮小電壓）。這個(gè)電路有一個(gè)小小的問題，就是它放大電壓后有一個(gè)負(fù)號(hào)，平時(shí)我們要的都是輸出電壓與輸入電壓同符號(hào)，那么如何做到輸出電壓與同向呢，其實(shí)也很容易，且看下面電路圖5。它的放大倍數(shù)也很好計(jì)算，元器件沒有比上面多。但是這里又引是入一個(gè)新的問題，從下圖4的公式推導(dǎo)中，可以明顯看到，Uo/Ui>1，那么在我們需要將電壓值縮小的場合，這個(gè)電路將不再適用。

圖5 電壓同向放大電路

那么如何做到同向的任一放大倍數(shù)的電路呢，也并不難，又請看下方圖6電路。電路中多了兩個(gè)電阻，成本并不會(huì)增加多少。由圖6中推導(dǎo)的公式，如果R1+R2=R3+R4，那么放大倍數(shù)Uo/Ui=R4/R1,這個(gè)電阻阻值大小是完全可以做到任意選擇的。在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)過程中，通常令R1=R3，R2=R4,這樣可以使R1+R2=R3+R4成立，同時(shí)也能夠很清晰地記住這個(gè)電路的放大倍數(shù)即為：Uo/Ui=R2/R1。

圖6 電壓同向任一放大倍數(shù)電路

2、差分放大電路

上面講到的所有放大電路都有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，就是它們只是放大某一個(gè)電勢點(diǎn)，另一個(gè)電勢點(diǎn)是默認(rèn)接地的。而有時(shí)我們需要放大電壓的兩端電勢沒有一個(gè)接地的，那么這個(gè)時(shí)候，上述所有放大電路將不再適用。我文章一開頭提到的采樣步進(jìn)電機(jī)電流，就是這種情況，這個(gè)時(shí)候就是差分放大電路登場的時(shí)間了。

圖7 差分放大電路

在使用差分放大電路時(shí)，有一點(diǎn)需要特別地注意，不僅|k*(U1-U2)|<15（最好是小于13V左右，取得比較好的效果），而且Un與Up應(yīng)該也要小于15v，否則放大不會(huì)工作在線性區(qū)，導(dǎo)致電路非正常工作。

心得總結(jié)

關(guān)于放大電路的更加深刻的工作原理，比如虛短虛斷的性質(zhì)是如何來的，還沒有去更加深入的研究（雖然在本科期間學(xué)習(xí)過，但現(xiàn)在還是忘了），另外當(dāng)圖4中的放大器負(fù)輸入端接地，而正輸入端接輸入電壓，無法得到想要的放大效果，也就是放大器的正負(fù)輸入端倒底有何區(qū)別，還沒有很明白，是后要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。