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差分電路的電路構(gòu)型和原理解析

凡億PCB ? 來(lái)源:面包板社區(qū) ? 作者:面包板社區(qū) ? 2021-02-09 17:36 ? 次閱讀
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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,因而得到廣泛的應(yīng)用。

差分電路的電路構(gòu)型

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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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性工作區(qū),正因?yàn)轱柡停敵霾攀?a target="_blank">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(xiàn)性區(qū)或飽和區(qū)。

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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(xiàn)性區(qū),當(dāng)做電壓比較器來(lái)使用。

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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。

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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:

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那么通過(guò)分壓關(guān)系得到Vin+:

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再次通過(guò)分壓關(guān)系得到Vin-:

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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:

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圖5

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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:

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得到差分電壓輸入值是0.84V。

差分放大電路的計(jì)算

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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:

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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?

9b80d108-5fc2-11eb-8b86-12bb97331649.png

圖8

通過(guò)疊加定理最終得到:

9bd77a4e-5fc2-11eb-8b86-12bb97331649.png

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:

9c124ed0-5fc2-11eb-8b86-12bb97331649.png

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。

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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:

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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。

原文標(biāo)題:輸出電壓為什么要偏移?差分電路原理解析

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責(zé)任編輯:haq

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原文標(biāo)題:輸出電壓為什么要偏移?差分電路原理解析

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