差分運算放大電路,對共模訊號得到有效抑制,而只對差分訊號進行放大,因而得到廣泛的應用。
1、如下圖是差分電路的電路構型
目標處理電壓:是採集處理電壓,比如在系統中像母線電壓的採集處理,還有像交流電壓的採集處理等。
差分同相/反相分壓電阻:為了得到適合運放處理的電壓,需要將高壓訊號進行分壓處理,如圖中v1與v2兩端的電壓經過分壓處理,最終得到適合運放處理的電壓vin+與vin-。
差分放大電路:
如下圖是一種帶正反饋的運放電路,這裡就不能叫運算放大電路了,因為運放的開環放大倍數理想是無限大,當然實際中不可能無限大,所以如下結構是遲滯電壓比較器,運放工作在非線性區或飽和區。
如下圖,依然是電壓比較器結構,上面已經提到,運放開環增益很大,不帶負反饋,工作就如非線性區,當做電壓比較器來使用。
運算放大器,反饋電阻從輸出接到反相端"-"就是負反饋,當然在輸出訊號不超過電源電壓時(注:一切訊號的能量**是電源,輸出當然不可能超過電源幅值),實現的功能就是放大訊號的功能;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並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部器件的工作狀態還是有區別的。
比較器接了限流電阻—"r74、r77",這是因為比較器在幅值切換時,快速上公升或下降沿對后級容性負載進行充放電,這個充放電電流確來自這個有源器件—比較器,因此加限流電阻目的是防止電流衝擊。
rc濾波:可以酌情調節,目的是防止輸出過衝等訊號失真問題
2差分輸入電壓的計算
如下電路,為了便於計算,我們給定每個阻值,差分電路的另乙個特點是對稱性,r40=r56以及r47=r55,差分分壓兩個之路電阻也是相等的。
vin+和vin-的值是如何計算的,我們先通過繁瑣的計算來得到,然後再簡化計算
首先,運放的同相端5引腳和反相端6引腳,利用"虛短"得到,其中係數6是指6個100k的電阻,方便簡化式子
那麼通過分壓關係得到vin+
再次通過分壓關係得到vin-
那麼就得到vin+ - vin-的值
其實還有一種簡單方法得到vin+ - vin-的值,利用運放的虛短特點,可將電路等效為
所以要計算vin+ -vin-的值,變得很容易,只是乙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
3差分放大電路的計算
計算公式推導,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:
實際應用電路中,我們為了簡化計算,也是用最簡方法計算,經常使用電路也是使用上述電路,令電阻相等關係,簡化計算。
4放大電路的"偏移計算"
為什麼要對輸出電壓進行偏移,這是因為如當你採集負值時,我們的取樣晶元和mcu幾乎都不支援負值取樣的時候,你就必須進行偏移,使得輸出總是為正值。
偏移電路,如下圖,在原來同相端電阻接地gnd的地方,我們接乙個電壓值,通常也稱為偏移電壓,那麼最終表示式是什麼。
通過疊加定理最終得到
這裡公式的成立,保證r64=r72,r73=r57,那麼最終得到偏移公式是在原來基礎上加個電壓偏移量2.5v_ref
只要根據實際應用選擇合適的偏移量,輸出總會為乙個正值
比如,如下電路,輸入電壓變為-100v,那麼最終輸出電壓就為
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,偏移電路在採集如交流電、以及存在負直流電壓的控制電路中廣泛使用。
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