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用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移

發(fā)布時間:2021-02-09 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
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)。
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
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。
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
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,R40=R56及R47=R55,差分分壓兩個支路電阻也是相等的。
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
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:
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
 
那么通過分壓關(guān)系得到Vin+:
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
 
再次通過分壓關(guān)系得到Vin-:
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
 
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:
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
圖5
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
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:
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
 
得到差分電壓輸入值是0.84V。
 
差分放大電路的計算
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
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:
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
 
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?這是因為如當采集負值時,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?
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
圖8
 
通過疊加定理最終得到:
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
 
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:
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
 
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。
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
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:
 
用差分電路原理來分析輸出電壓為何要偏移
 
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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