差分放大器的基本了解

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什么是差分（放大器）?為什么要使用差分放大器呢?

在（工業(yè)）系統(tǒng)中，許多（傳感器）采用差分輸出的方式來獲得更好的噪聲免疫力。在這些傳感器的輸出中包含了共模（信號(hào)）和差模信號(hào)：

如上圖，我們定義共模信號(hào)為放大器的同相和反相輸入端含有的相同信號(hào)，這里的共模信號(hào)(CommonMode

Voltage)VCM=5V;我們定義差模信號(hào)為放大器的同相和反相輸入端含有的不同信號(hào)，這里的差模信號(hào)(Differen（ti）alMode

Voltage)VDM=3V。對(duì)于絕大多數(shù)系統(tǒng)而言，共模信號(hào)是不含有信息的，引入它的主要目的就是為了提高信號(hào)的抗噪能力，比如差分信號(hào)在傳輸過程中（耦合）的噪聲都以共模信號(hào)的形式出現(xiàn)，在接收端信號(hào)相減后即可消除;而差模信號(hào)則是真正含有信息的信號(hào)，我們在（PLC）系統(tǒng)的接收端需要做的就是抑制共模信號(hào)，提取和放大差模信號(hào)給

（ADC）采集所用。最為典型的幾種差分輸出的傳感器就是電阻電橋、RTD測溫電阻和（電流）并聯(lián)（檢測）器。

No.2差分放大器

電阻電橋可以用電流源驅(qū)動(dòng)，也可以用電壓源驅(qū)動(dòng)，其工作實(shí)質(zhì)是由于外力作用，導(dǎo)致電橋臂上的一個(gè)或幾個(gè)電阻阻值發(fā)生變化，從而破壞電橋的平衡，輸出差模信號(hào)。通過調(diào)理和轉(zhuǎn)換差模的信號(hào)的大小，即可以獲得電阻變化的信息，從而再換算出外力的大小。如下面這個(gè)壓力測試儀，上下兩個(gè)應(yīng)變片在外力作用下彎曲：一個(gè)被拉長，值以+ε的比例變大;一個(gè)被壓短，阻值以-ε的比例變小。

未受外力作用時(shí)，電橋平衡(左);受到外力時(shí)阻值改變，電橋不再平衡(右)這里我們用最簡單的單電阻變化的電橋?yàn)槔?，說明信號(hào)調(diào)理過程中的挑戰(zhàn):

壓力引起的電橋臂上應(yīng)變片的形變實(shí)際上是非常的小，一個(gè)（壓力傳感器）的滿量程差分輸出通常都在20mV以下，而共（模電）壓則通常在2.5V以上。如果直接對(duì)信號(hào)放大，共模信號(hào)會(huì)引起電路飽和。因此，首先我們需要進(jìn)行共模抑制，提取出差模信號(hào)。如上圖，共模信號(hào)為2.5V，差模信號(hào)為6.3mV，我們只需將V+減去V-即可，自然而然的，我們想到了運(yùn)放的一個(gè)基本電路，減法器：

所以，我們可以用（運(yùn)算放大器）和外部電阻（網(wǎng)絡(luò)）自己搭建一個(gè)（差動(dòng)放大器），但是這樣的話，電路的共模抑制比(CMRR，定義為差模的信號(hào)的放大倍數(shù)比上共模信號(hào)的放大倍數(shù))是被外部電阻網(wǎng)絡(luò)所限制。假如R1，R2，R3，R4中僅有一只電阻有0.1%的誤差，導(dǎo)入上面的公式可以得到CMRR將下降到66dB;若誤差為1%，CMRR將下降到46dB。那么，我們在通用（電子）市場上里通常能買到的最精密的電阻為多少誤差呢?1%，而我們在學(xué)校里經(jīng)常抓來使用的電阻常常只有5%的甚至更差的精度，這將使我們的共模抑制比更加“慘不忍睹”。上面的例子里，VCM=2.5V，若VDM=20mV，60dB的CMRR將使VCM=2.5V減小到1/1000，此時(shí)VCM仍將有2.5mV，這相當(dāng)于有用差模信號(hào)的10%，對(duì)我們的測量結(jié)果有相當(dāng)大的影響，因此我們需要更高的CMRR。

No.3（儀表放大器）

然而，差動(dòng)放大器也有其天生的弱點(diǎn)：由于電阻網(wǎng)絡(luò)內(nèi)置，使得其輸入阻抗大大降低。當(dāng)輸入阻抗較小如十幾千歐姆時(shí)，這對(duì)高源阻抗的應(yīng)用相當(dāng)不利，因?yàn)檫^低的運(yùn)放輸入阻抗會(huì)稱為信號(hào)源的負(fù)載，而且源阻抗的不匹配會(huì)造成差動(dòng)放大器的電阻網(wǎng)絡(luò)不再精密匹配，從而導(dǎo)致CMRR降低。此時(shí)我們需要增加差動(dòng)放大器的輸入阻抗，于是我們在差動(dòng)放大器的前面加入兩個(gè)輸入緩沖器作為第一級(jí)，并在第一級(jí)的外部通過RG提供差分信號(hào)的增益(保持共模信號(hào)不變)，在第二級(jí)(即差動(dòng)放大器)提供第二次差分信號(hào)的增益，并抑制共模信號(hào)。這樣差分信號(hào)可以被兩級(jí)放大，因此儀表放大器的放大倍數(shù)可以相當(dāng)大。同時(shí)，共模電壓被抑制，由CMRR的定義，可以知道儀表放大器的CMRR可以比差動(dòng)放大器更高，通?？梢暂p易超過100dB，甚至達(dá)到120dB。如下圖，是對(duì)這種經(jīng)典的三運(yùn)放儀表放大器的推導(dǎo)(差動(dòng)放大器為單位增益)：

除了三運(yùn)放的儀表放大器，還有一種簡化的兩運(yùn)放儀表放大器，它也能完成共模信號(hào)的抑制，并在直流處擁有和三運(yùn)放儀表放大器相近的性能，當(dāng)然，省略一個(gè)運(yùn)放使得它擁有更低的成本，它每一級(jí)間的推導(dǎo)結(jié)果如下圖所示：

兩運(yùn)放儀表放大器雖然價(jià)格低廉，并在直流處擁有同樣優(yōu)良的共模抑制比，但是由于輸入引腳的信號(hào)路徑不平衡(一個(gè)輸入直接進(jìn)入A2，一個(gè)經(jīng)過A1后才進(jìn)入A2)，導(dǎo)致在頻率稍高時(shí)CMRR急劇惡化。而三運(yùn)放的儀表放大器可以提供最好的輸入信號(hào)平衡，從而在頻率稍高時(shí)(幾百到數(shù)kHz)也能達(dá)到極佳的CMRR，如下圖所示：

與差動(dòng)放大器一樣，儀表放大器也有其顯著的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)在于其輸入阻抗非常高，共模抑制比非常好，適合用在信號(hào)源阻抗較高的需要抑制共模信號(hào)的場合，比如惠斯通橋，人體信號(hào)處理(在醫(yī)療信號(hào)處理中的（模擬）信號(hào)前端調(diào)理中，總是可以看到非常多的儀表放大器)。

No.4電流檢測放大器

電流并聯(lián)檢測，就是通過測量置于電流路徑上的電阻上的壓降來監(jiān)視電流的電路(盡管存在著其它技術(shù)，例如磁相關(guān)技術(shù)，但這里的討論僅限于并聯(lián)電阻電流測量)。并聯(lián)電阻測量電流的方法主要有兩種，高側(cè)和低側(cè)。低側(cè)測量方法直接簡單,它通過在A點(diǎn)處測量電流經(jīng)過置于負(fù)載和地之間的電阻時(shí)所產(chǎn)生的壓降來檢測電流，如下圖：

低側(cè)電流測量的特點(diǎn)就是直接簡便，只需一個(gè)運(yùn)算放大器便可完成測量，且非常準(zhǔn)確：

但其在接地路徑上加入了阻值，這非常不利，因?yàn)榱魅氲仄矫娴碾娏鲗⒃诟袘?yīng)電阻上產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓將以地平面噪聲的形式出現(xiàn)在系統(tǒng)的所有地節(jié)點(diǎn)上。由于（數(shù)字電路）在0，1間切換，導(dǎo)致電流將是動(dòng)態(tài)的，這將在地平面上形成高頻噪聲，影響模擬部分的精度甚至引起數(shù)字部分的誤動(dòng)作。所以若能接受地平面的噪聲，低側(cè)電流測量是最簡單最好的方法。若不能接受，我們可以選擇高側(cè)電流測量。高側(cè)電流測量技術(shù)通過測量A點(diǎn)和B點(diǎn)間電流經(jīng)過置于（電源）和負(fù)載間的電阻時(shí)所產(chǎn)生的壓降來測量電流，如下圖：

高側(cè)電流檢測器的優(yōu)勢和低側(cè)相比非常明顯，它直接連接至電源，并且可以檢測所有的下行故障以及觸發(fā)適當(dāng)?shù)母胧⑶也粫?huì)產(chǎn)生額外的接地干擾。但它對(duì)信號(hào)調(diào)理提出了更高的要求，因?yàn)橐话阄覀冞x擇10m歐以下的電阻做為感應(yīng)電阻，這樣在感應(yīng)電阻上不會(huì)產(chǎn)生大的壓降，從而減少對(duì)后端系統(tǒng)的影響同時(shí)減少無用功率消耗，當(dāng)這樣的話，在AB間會(huì)有一個(gè)mV級(jí)的差模電壓，同時(shí)在AB點(diǎn)處存在等于VCC的共模電壓。所以我們需要非常好的共模抑制比和能接受非常高且經(jīng)常變動(dòng)的共模電壓(經(jīng)常超出放大器所使用的電源軌的限制)。備選的有差動(dòng)放大器和電流檢測放大器，差動(dòng)放大器通過衰減輸入信號(hào)并相減來實(shí)現(xiàn)高共模信號(hào)的抑制，而電流檢測放大器通過高耐