一種典型的差分放大電路設(shè)計(jì)與測(cè)試

摘 要： 簡(jiǎn)述一種典型的差分輸入差分輸出放大電路的設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試方法，討論其設(shè)計(jì)原理及需要解決的問(wèn)題。重點(diǎn)講述差分濾波器的設(shè)計(jì)和計(jì)算，指出與單端放大電路在設(shè)計(jì)和測(cè)試中的不同之處，并結(jié)合實(shí)際工作中的經(jīng)驗(yàn)，就直流信號(hào)和交流信號(hào)的測(cè)試分別給出了一種簡(jiǎn)易案例。
關(guān)鍵詞： 差分輸入；差分輸出；放大電路；差分信號(hào)

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(hào)中的共模噪聲和地線電平電壓浮動(dòng)對(duì)電路的影響，因此，在工業(yè)應(yīng)用中廣受青睞。差分放大器中以儀表放大器應(yīng)用最為廣泛[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，支持差分輸入的ADC、MCU越來(lái)越多，由于差分傳輸能更好地抑制共模干擾，信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)，越來(lái)越多的場(chǎng)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(yùn)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(jì)、分析、仿真和測(cè)試中有許多不同之處，而這些知識(shí)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(jì)
根據(jù)被放大信號(hào)的不同,可以將差分放大電路分成兩種[2]。一種是直流耦合差分放大電路，其輸入端沒(méi)有隔直電容，可以同時(shí)放大直流和交流信號(hào)，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(lái)隔離直流分量，放大信號(hào)中的交流成分，如圖2所示。

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(hù)器件和補(bǔ)償電阻四部分組成。其輸入-輸出關(guān)系為：

式(1)～式(7)中所有加減運(yùn)算均為矢量相加減，式(7)表明該差分放大電路的差分放大倍數(shù)A由電阻R3、R4、R5確定。
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(hào)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(hào)傳輸線較長(zhǎng)，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(guò)沖和振蕩，為此，在信號(hào)線上串聯(lián)小電阻R1、R2作為補(bǔ)償電阻，以減小或消除振蕩[3]。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(duì)運(yùn)放進(jìn)行環(huán)內(nèi)補(bǔ)償，增加運(yùn)放帶容性負(fù)載的能力[4]；BAT54S作為保護(hù)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(yùn)放最大輸入電壓范圍而損壞運(yùn)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(yuǎn)小于電容C7、C8的值，因此，電容C9、C10、C11對(duì)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。

2 差分放大電路仿真
在完成電路設(shè)計(jì)后，采用Multisim仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，以檢驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)是否合理、器件選擇是否恰當(dāng)、濾波器截止頻率設(shè)計(jì)是否正確等[6]。仿真電路原理圖如圖3所示。表1所示為虛擬信號(hào)發(fā)生器XFG1參數(shù)設(shè)置，表2所示為虛擬示波器XSC1各通道交流信號(hào)測(cè)量結(jié)果以及XBP1波特圖仿真結(jié)果。

假設(shè)圖3中3、4、9處的交流信號(hào)峰峰值電壓分別為V3、V4、V9，則由式(5)可得：

由表2結(jié)果和式(12)可知，差分比例放大部分的設(shè)計(jì)是正確的。由圖3、式(9)和表2結(jié)果可知，共模濾波器的設(shè)計(jì)是正確的。
假設(shè)一階RC低通濾波器通帶電壓增益為A0，則其幅頻響應(yīng)可以用式(13)表示[7]。

3 差分放大電路測(cè)試
以直流耦合放大電路為例簡(jiǎn)要說(shuō)明測(cè)試方法和步驟，測(cè)試框圖如圖4所示。差分輸入電壓由YOKOGAWA CA100系列小型校驗(yàn)儀產(chǎn)生，差分輸出電壓由四位半精度的VC9806+系列數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量得出。注意，為了使運(yùn)放工作在線性放大區(qū)，需要給運(yùn)放提供適當(dāng)?shù)钠秒妷篬8]。表4所示為CA100輸出不同電壓時(shí)VC9806+的測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明直流耦合放大電路的差分比例放大倍數(shù)約為21。

　 在直流電壓上疊加交流信號(hào)，測(cè)試交流信號(hào)放大、差分濾波器的設(shè)計(jì)是否正確。測(cè)試框圖如圖5所示。輸入信號(hào)由Fluke 282多信道信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，輸出信號(hào)由Tek DPO 4054示波器測(cè)量得出。由于Fluke 282信號(hào)發(fā)生器的輸出直流偏置電壓受輸出交流信號(hào)幅值的影響，當(dāng)交流信號(hào)的幅值越小時(shí)，直流偏置電壓越低，此時(shí)，運(yùn)放共模抑制比很低，而且可能超出運(yùn)放共模輸入電壓范圍。因此，采用如下方法：Fluke 282輸出兩路同相位正弦波信號(hào)，信道1信號(hào)加在a端，參數(shù)設(shè)置為1 000 mVpp，10 Hz， 2.50 V偏置電壓，0°主模式；信道2信號(hào)加在b端，參數(shù)設(shè)置為900 mVpp，10 Hz，2.50 V偏置電壓，0°從模式。示波器測(cè)量結(jié)果如表5所示,其中CH1、CH2、CH3、CH4分別測(cè)量TP1、TP2、TP7、TP8處交流信號(hào)峰峰值電壓和相位，設(shè)置CH1相位為0°。

由表5可知，VTP1=980.0 mV，VTP2=880.9 mV,帶入式(5)和式(6)，可得VTP7=1971 mV，VTP8=-100.1 mV，其中VTP1、VTP2、VTP7、VTP8的值均為矢量值。表5所示峰峰值測(cè)量結(jié)果表明交流信號(hào)的放大是正確的。
　 表6所示為不同頻率時(shí)，a、b、TP1、TP2處測(cè)試結(jié)果，結(jié)果顯示通過(guò)差分濾波，實(shí)際信號(hào)衰減稍大于理論值，這是由信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗及電路板寄生電容引起的。

交流耦合差分放大電路測(cè)試方法與交流信號(hào)測(cè)試方法相似，但是，由于電阻容差、運(yùn)放輸入偏置電流、失調(diào)電壓及隔直電容漏電流等因素的影響，差分輸出端存在一定直流電壓差，這與仿真的結(jié)果是不同的[9]。
　 該差分放大電路可以看成兩路單端同相放大電路的合成。但是，差分放大電路放大差分信號(hào)，抑制共模信號(hào)；兩路輸出信號(hào)之間存在相位差。因此，采用單端探頭測(cè)量差分放大電路時(shí)，需要同時(shí)考慮信號(hào)的幅值和相位，以便計(jì)算和分析。
使用雙運(yùn)放搭成的具有儀表放大器輸入結(jié)構(gòu)的差分輸入差分輸出放大電路能有效抑制電路溫度漂移、零點(diǎn)漂移和共模噪聲。在沒(méi)有差分探頭時(shí)，使用單端探頭對(duì)差分放大電路進(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算輸入通道信號(hào)失量差和輸出通道信號(hào)矢量差來(lái)驗(yàn)證差分信號(hào)的放大，具有較好的實(shí)用價(jià)值。
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