差分放大電路的設(shè)計原理、仿真和測試方法以及要解決的問題

摘要： 簡述一種典型的差分輸入差分輸出放大電路的設(shè)計、仿真和測試方法， 討論其設(shè)計原理及需要解決的問題。重點講述差分濾波器的設(shè)計和計算， 指出與單端放大電路在設(shè)計和測試中的不同之處，并結(jié)合實際工作中的經(jīng)驗，就直流信號和交流信號的測試分別給出了一種簡易案例。

與普通單端放大器相比， 差分放大器可以有效抑制輸入信號中的共模噪聲和地線電平電壓浮動對電路的影響， 因此， 在工業(yè)應用中廣受青睞。差分放大器中以儀表放大器應用最為廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展， 支持差分輸入的ADC、MCU 越來越多， 由于差分傳輸能更好地抑制共模干擾， 信號傳輸距離更遠， 越來越多的場合將使用差分傳輸。但是， 一般的儀表放大器僅支持單端輸出。

因此， 采用雙運放搭建了一種差分輸入差分輸出放大電路。與普通的單端放大電路相比， 差分放大電路在設(shè)計、分析、仿真和測試中有許多不同之處， 而這些知識在一般的模擬電路教材中很少介紹。

1 差分放大電路設(shè)計

根據(jù)被放大信號的不同, 可以將差分放大電路分成兩種。一種是直流耦合差分放大電路， 其輸入端沒有隔直電容， 可以同時放大直流和交流信號， 如圖1 所示。另一種是交流耦合差分放大電路，其輸入端有隔直電容，用來隔離直流分量，放大信號中的交流成分，如圖2 所示。

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直流耦合差分放大電路

交流耦合差分放大電路

1.1 直流耦合差分放大電路

直流耦合差分放大電路由差分比例放大電路、差分濾波器、保護器件和補償電阻四部分組成。其輸入-輸出關(guān)系為：

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當信號頻率較低時, 電容C1、C2、C3 的容抗很大， 差分放大電路的輸入阻抗很高， 若運放工作在線性放大區(qū)， 則根據(jù)虛短和虛斷定理， 可得:

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將式(3) 、式(4) 代入式(1) 和式(2) ， 可得:

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假設(shè)A 為差分放大電路的差分放大倍數(shù), 則由式(5) 、式(6) 可得:

該差分放大電路中的濾波器采用了典型差分濾波器的形式， 由差模濾波器和共模濾波器組成， 主要作用是濾除傳感器輸出信號高頻噪聲以及RFI 噪聲。假設(shè)傳感器差模輸出阻抗為Rd, 共模輸出阻抗為Rc，C1 與C2的串聯(lián)等效電容為CS12, 則差模濾波器的截止頻率fd由Rd、R1、R2、CS12和C3 確定， 共模濾波器的截止頻率fc由Rc、R1、R2、C1、C2 確定。

由于傳感器信號傳輸線較長， 其寄生電感與放大器輸入電容容易組成LC 諧振電路, 產(chǎn)生過沖和振蕩， 為此， 在信號線上串聯(lián)小電阻R1、R2 作為補償電阻， 以減小或消除振蕩。圖1 中， 電容C4、C5 分別與電阻R3、R5 組成一階低通濾波器， 抑制放大器噪聲； 電阻R6、R7對運放進行環(huán)內(nèi)補償， 增加運放帶容性負載的能力；BAT54S 作為保護器件加在放大器輸入端, 防止靜電放電以及輸入電壓超出運放最大輸入電壓范圍而損壞運算放大器。

1.2 交流耦合差分放大電路

交流耦合差分放大電路如圖2 所示。電容C9、C10、C11 的值遠小于電容C7、C8 的值， 因此， 電容C9、C10、C11 對圖2 中高通濾波器的影響可以忽略， 從而可得共模高通濾波器的截止頻率fHPc。

電阻R10、R11 為運放提供偏置電壓并為運放偏置電流提供流通路徑。

2 差分放大電路仿真