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一篇關(guān)于差分電路的原理解析

時間：2021-09-10 16:36:57
關(guān)鍵字： 差分電路   
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[導(dǎo)讀]巧學模電數(shù)電單片機|文末有福利差分運算放大電路，對共模信號得到有效抑制，而只對差分信號進行放大，因而得到廣泛的應(yīng)用。差分電路的電路構(gòu)型圖1?差分電路目標處理電壓：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：為了得到適合運放...


巧學模電數(shù)電單片機 | 文末有福利


差分運算放大電路，對共模信號得到有效抑制，而只對差分信號進行放大，因而得到廣泛的應(yīng)用。


差分電路的電路構(gòu)型


圖1?差分電路


目標處理電壓：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：為了得到適合運放處理的電壓，需要將高壓信號進行分壓處理，如圖1中V1與V2兩端的電壓經(jīng)過分壓處理，最終得到適合運放處理的電壓Vin 與Vin-。


差分放大電路


反饋對于運算放大電路來說，運放工作在線性區(qū)，所以這里一定是負反饋，沒有反饋（開環(huán)）或者是正反饋，那是比較器電路而不是放大電路，這時候運放工作在飽和區(qū)或稱為非線性工作區(qū)，正因為飽和，輸出才是電源電壓的幅值。


圖2是一種帶正反饋的運放電路，這里就不能叫運算放大電路了，因為運放的開環(huán)放大倍數(shù)理想是無限大，當然實際中不可能無限大，所以如下結(jié)構(gòu)是遲滯電壓比較器，運放工作在非線性區(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，運放開環(huán)增益很大，不帶負反饋，工作就如非線性區(qū)，當做電壓比較器來使用。


圖3


運算放大器，反饋電阻從輸出接到反相端"-"就是負反饋，當然在輸出信號不超過電源電壓時（注：一切信號的能量來源是電源，輸出當然不可能超過電源幅值），實現(xiàn)的功能就是放大信號的功能；接到同相端" "就是正反饋，電路功能是電壓比較器。


當然在實際當中我們并不提倡用運放去做電壓比較器，而是選用專用的比較器，如LM339、LM393、LM211等，因為比較器和運放在實際當中內(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，這是因為比較器在幅值切換時，快速上升或下降沿對后級容性負載進行充放電，這個充放電電流來自這個有源器件——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)，目的是防止輸出過沖等信號失真問題


差分輸入電壓的計算


圖4電路，為了便于計算，我們給定每個阻值。


差分電路的另一個特點是對稱性，電阻R40=R56及R47=R55，差分分壓兩個支路電阻也是相等的。


圖4


Vin 和Vin-的值是如何計算的？


我們先通過繁瑣的計算來得到，然后再簡化計算。


首先，運放的同相端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100k的電阻，方便簡化式子：



那么通過分壓關(guān)系得到Vin ：



再次通過分壓關(guān)系得到Vin-：



那么就得到Vin 減Vin-的值。


其實還有一種簡單方法得到Vin 減Vin-的值，利用運放的虛短特點，可將電路等效為：


圖5


圖6


所以要計算Vin 減Vin-的值，變得很容易，只是一個簡單的分壓電路而已，如下計算得到：



得到差分電壓輸入值是0.84V。


差分放大電路的計算


圖7


計算公式推導(dǎo)，依舊遵循運放的虛短和虛斷特性，當R56=R40，R47=R55時，差分計算可以簡化為：



實際應(yīng)用電路中，我們?yōu)榱撕喕嬎?，也是用最簡方法計算，?jīng)常使用的電路也是上述電路，令電阻相等關(guān)系，簡化計算。


放大電路的"偏移計算"


為什么要對輸出電壓進行偏移？這是因為當采集負值時，我們的采樣芯片和MCU幾乎都不支持負值采樣的時候，你就必須進行偏移，使得輸出總是為正值。


偏移電路，如圖8，在原來同相端電阻接地GND的地方，我們接一個電壓值，通常也稱為偏移電壓。那么最終表達式是什么？


圖8


通過疊加定理最終得到：



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基礎(chǔ)上加個電壓偏移量2.5V_Ref：



只要根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的偏移量，輸出總會為一個正值。


圖9


比如，在圖9電路中，當輸入電壓變?yōu)?100V，那么最終輸出電壓就為：



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


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