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双端差分输入运算放大电路计算

时间:2020-01-10 00:42来源:海猎人

双端差分输入运算放大电路计算

实际应用中,常用电桥型电路(图4-24)作为传感器信号电路,其产生的信号为差分信号,如各种硅压阻式压力传感器、各种热敏电阻组成的测温电桥等。

桥式信号源电路有两个都不接地的输出端,当电桥平衡无信号时,Ua=Ub=0,而当压力或温度变化时,电桥两臂电压不平衡产生压差ΔU=Ua-UbΔU与被测参数的变化直接相关,称为差模信号,用UDM表示。

UaUb的平均值称为共模信号,大小为双端差分输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人。例如测温电桥式传感器,共模电压2.5V,而差模倍号UDM则可能只有数十mV

这样的一个桥式电路输出信号里,既有微弱的差模信号,又有很大的共模信号,我们希望放大器不但放大有用的差模信号部分,还能抑制很大的无用共模信号部分。而4.3.2节中的电路显然不能做到。

例:如图4-25所示,传感器在零信号输入时,Ua=Ub=4V,在传感器最大测量输出时,Ua-Ub=100mV,设计期望:

在传感器桥式电路输出信号为0时,运算放大电路输出Uo=0

最大传感器桥式电路信号输出(100mV)时,Uo=10V

即要求放大器:

对共模信号双端差分输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人,即共模放大倍数ACM=0

 对差模信号,差模放大倍数双端差分输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人

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4-24

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4-25

4-25电路中电阻取值双端差分输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人,可实现上述要求。

当输入共模电压为4V时,按照运放输入端虚断的要求,可求出同相端输入电压

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按照同相端与反相端虚短的要求,可知双端差分输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人

由反相端虚断,可求出

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If=Ii,所以双端差分输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人,说明共模放大倍数双端差分输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人

当传感器桥式电路输出共模电压最大为4V时,同时有Ua-Ub=100mV的差模信号,则Ua=4.05VUb=3.95V,它包含4V的共模信号和100mA的差模信号。同样计算可得

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以上计算说明图4-25中的电路在放大差模信号的同时抑制了共模信号。

上述结论的前提是电路中元器件处于两个理想条件下:两个1kΩ的电阻和两个100kΩ的电阻分别完全相等;而且运算放大器具有真正的虚短”“虚断特性,即同相端和反相端的输入偏置电流都为0,同相端、反相端的电压差也近似为0

但实际上,以上两种理想情况是不可能出现的。在差模信号为零、仅仅改变共模信号时,放大器的输出电压并不总是为零,而是随UCM的变化而变化。实际放大器对共模信号也有一定的放大能力,即AUCM=0。放大器对有用差模信号的放大倍数AUDM与对无用共模信号放大倍数AUCM的比值,称为共模抑制比CMRR,用来衡量这种放大器对共模信号的抑制能力。对本例电路,若要提高其共模抑制能力,除了选高CMRR集成运放外,选用严格对称的电阻也是非常必要的。通常选用高精度电阻,必要时,可通过配对挑选的办法来提高电阻的匹配精度。

4-25中电路的另一个缺点是它的差模输入电阻Ri=2×R1,只有2kΩ,虽然通过增大R1能提高输入电阻,但Rf也会随之增大,这不是设计者所希望的。因为一般的桥式传感器均有一定的内阻,且其内阻会随环境温度而变化。例如硅压阻式压力传感器的电桥内阻约5kΩ并有约0.22%/的温度系数,如果与其接口的放大器内阻过小,会因为传感器输出阻抗的变化而使测量产生误差。

假定信号源有一定内阻Ro,在传感器满量程且空载时,输出差模信号为100mV,对外没有输出,因此不会在内阻上产生压降,但一旦传感器接上了后续电路,信号电流就会流经传感器内阻和放大电路的输入阻抗,从而在输入阻抗上产生分压,这个分压后的电压值会小于开路时传感器的输出值,由此产生误差。更严重的问题是,传感器内阻还会随环境温度的变化而变化,这样,系统误差就会因环境温度的变化而受影响。若放大器的内阻趋于无穷大,则传感器信号电流趋于0,传感器内阻上就没有压降损失,100mV的有用信号就可全部被送入放大器。

综上所述,具有高输入阻抗的差动放大器才是最佳的。最常用的是三运放电路(见  图4-26)。不过现在设计师已经不必自行搭建类似电路了,很多现成的仪表用放大器内部电路就是这个结构,设计师只是在外部配电阻调整放大倍数即可。而且因为芯片内部制造的特点,对称电路上的对称元器件的漂移一致性也比较好,较好的对称性也就保证了较好的共模抑制比。

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4-26

运放AB组成差动输入、差动输出的第一级放大器。AB均采用同相输入的方式,由于其虚断特性,可使对输入信号具有极高的输入电阻(近似等于无限大)。

虚断虚断可看出,R1两端压降即为输入电压Ui,则有双端差分输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人

再由虚断及基尔霍夫定律,得出I2=I1

可求出第一级差动放大器输入电压

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第一级差动放大倍数

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第一级差放输出信号Uab再送入与图4-19所示的相同的第二级差放电路,且双端差分输入运算放大电路计算 - 海猎网-海猎人

这种由三个运放组成的电路因大量应用于仪表测量系统,故常称之为仪表放大器仪用放大器。这种电路主要靠第一级电路得到高输入阻抗,第二级电路抑制共模信号。

但如果不选用集成的仪表放大器,而是用运放和电阻搭接如图4-26所示的电路,则元器件选型需遵循如下原则。

· C运放应选用高共模抑制比的运放;

· A运放、B运放的参数(主要指失调电压、失调电流及其漂移)应尽可能对称;

· 所有匹配电阻阻值和温度系数应尽可能相等。

所需的电压增益应尽量由第一级差放承担,以提高仪表放大器的共模抑制比。

掌握了集成运放电路的基本分析和计算方法,再根据应用电路的具体要求,就可以灵活地选择不同的输入方式和不同结构的电路,并计算出所需电阻的阻值及精度要求。

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