差分运放放大电路(运放组成的差分放大电路)

一. 来自传感器的信号往往很微弱,需要运放进行放大,以便后续的数字化处理。图一为基本差分放大电路,它是反相输入和同相输入相结合的电路,当电阻值满足:Rf/R1=R3/R2=K时,

Uo=K(Ui2-Ui1) ,K为差动放大倍数,图一的K=10 ;

由于有同相端的电阻分压网络和反相端的负反馈网络的存在,使得该电路的输入电阻不够大,如信号源的内阻比较大或是变化的,将会使输出信号产生较大的误差,换而言之,这种差分电路只能配低内阻信号源;同时该电路要求Rf/R1精确等于R3/R2,否则差分输入和输出之间将不是正比例线性函数关系,会同时放大共模信号,共模抑制比就会急剧下降,换句话说,该电路所用的电阻必须是低温漂的高精度电阻。

差分运放放大电路(运放组成的差分放大电路)(1)

图一 基本差分放大器

为解决图一电路无法处理高内阻传感器信号的问题,可在差放电路的两个输入端各加一个电压跟随器进行缓冲隔离,如图二所示。电压跟随器输入电阻极高,可认为断路,不取用传感器电流,不影响传感器信号的大小;跟随器的输出此时是差放电路的信号源,其输出电阻很低,可忽略其存在,就能满足该电路对低内阻信号源的要求。

差分运放放大电路(运放组成的差分放大电路)(2)

图二 带缓冲器的基本差分放大电路

图一所示的基本差分放大电路,其外接的四个电阻需要严格挑选,精确度要求很高,不易满足。一般选用将四个电阻集成在芯片内部的差分放大器。光刻芯片时,利用激光微调技术,可将四个电阻校准到极高的精度。INA143就是集成的基本差分放大器芯片,其内部结构及示例如图三所示。

差分运放放大电路(运放组成的差分放大电路)(3)

图三 集成差分放大器构成的电路

二. 图四是同相比例电路,平衡电阻R2=R1//Rf ,由I =0,知Up=Ui ;在深度负反馈条件下,Un=Up=Ui,即输入电位转移到了N点,使得Un=Ui ;易推导出Uo=(1 Rf/R1)Ui ,当断开R1(即R1=无穷大)时,Uo=Ui,输出跟随输入,得到图五所示的电压跟随器电路。现根据前面提及的电路,说明图六所示三运放构成的差分放大电路。

差分运放放大电路(运放组成的差分放大电路)(4)

图四 同相比例放大电路

差分运放放大电路(运放组成的差分放大电路)(5)

图五 电压跟随器

差分运放放大电路(运放组成的差分放大电路)(6)

图六 三运放差分放大电路

图六所示的三运放差分放大电路由两级差动放大电路组成,A1、A2构成第一级差放电路,是两个同相比例电路的组合。由于引入了深度电压串联负反馈电路,使输入电阻大大增加,可视为断路,又使输出电阻大大减小,可视为零,为第二级基本差放电路创造了优良的工作条件;A3构成了第二级差放电路。

根据前述同相比例电路的特点,Ui2转移到了A点,即UA=Ui2 ;Ui1转移到了B点,即UB=Ui1,故流过R2的电流为:i=(Ui2-Ui1)/R2 ;又因iA=iB=0 ,R1、R2、R1中流过相同的电流i,所以对于差模信号而言:

Uo2-Uo1=(1 2R1/R2)(Ui2-Ui1) ,

Uo=Rf/R(Uo2-Uo1) ;

对于共模成分电压而言:

Ui2=Ui1=Uic(共模电压),此时i=0,Uo2=Uo1=Uic ,即共模电压没有被放大,而是直接转移到了第一级输出端,这就降低了对第二级运放A3的共模抑制比要求。

若A1、A2选用相同特性的运放,则它们的共模输出电压和漂移电压都相等,再通过第二级差分电路,就可以相互抵消。电阻R1、R2、Rf和R应使用低温漂精密电阻。

这种三运放构成的差分放大电路,已有多种型号的集成芯片,如INA102、INA848,一般称之为仪表放大器,用它们对微弱信号进行处理,更加简洁、精准、方便,当产品对成本无苛刻要求时,应优先选用。

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