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解析差分电路原理，输出电压为什么要偏移？

硬件笔记本 2024-01-12 07:51
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    差分运算放大电路，对共模信号得到有效抑制，而只对差分信号进行放大，因而得到广泛的应用。
差分电路的电路构型
    上图是差分电路。
    目标处理电压：是采集处理电压，比如在系统中像母线电压的采集处理，还有像交流电压的采集处理等。
    差分同相/反相分压电阻：为了得到适合运放处理的电压，需要将高压信号进行分压处理，如图1中V1与V2两端的电压经过分压处理，最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。

差分放大电路
    反馈，对于运算放大电路来说，运放工作在线性区，所以这里一定是负反馈，没有反馈（开环）或者是正反馈，那是比较器电路而不是放大电路，这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区，正因为饱和，输出才是电源电压的幅值。
    下图是一种带正反馈的运放电路，这里就不能叫运算放大电路了，因为运放的开环放大倍数理想是无限大，当然实际中不可能无限大，所以如下结构是迟滞电压比较器，运放工作在非线性区或饱和区。
    下图依然是电压比较器结构，上面已经提到，运放开环增益很大，不带负反馈，工作就如非线性区，当做电压比较器来使用。
    运算放大器，反馈电阻从输出接到反相端"-"就是负反馈，当然在输出信号不超过电源电压时（注：一切信号的能量来源是电源，输出当然不可能超过电源幅值），实现的功能就是放大信号的功能，相关视频:看懂运算放大器原理。接到同相端"+"就是正反馈，电路功能是电压比较器。
    当然在实际当中我们并不提倡用运放去做电压比较器，而是选用专用的比较器，如LM339、LM393、LM211等，因为比较器和运放在实际当中内部器件的工作状态还是有区别的。
    比较器接了限流电阻—"R74、R77"，这是因为比较器在幅值切换时，快速上升或下降沿对后级容性负载进行充放电，这个充放电电流来自这个有源器件—比较器，因此加限流电阻目的是防止电流冲击。
    RC滤波：可以酌情调节，目的是防止输出过冲等信号失真问题，相关文章推荐:各种滤波电路及原理。

差分输入电压的计算
    如下图电路，为了便于计算，我们给定每个阻值。
    差分电路的另一个特点是对称性，R40=R56及R47=R55，差分分压两个支路电阻也是相等的。
    Vin+和Vin-的值是如何计算的？
    我们先通过繁琐的计算来得到，然后再简化计算。
    首先，运放的同相端5引脚和反相端6引脚，利用"虚短"得到，其中系数6是指6个100k的电阻，方便简化式子：
    那么通过分压关系得到Vin+：
    再次通过分压关系得到Vin-：
    那么就得到Vin+减Vin-的值。
    其实还有一种简单方法得到Vin+减Vin-的值，利用运放的虚短特点，可将电路等效为：

    所以要计算Vin+减Vin-的值，变得很容易，只是一个简单的分压电路而已，如下计算得到：
    得到差分电压输入值是0.84V。
差分放大电路的计算
    计算公式推导，依旧遵循运放的虚短和虚断特性，当R56=R40，R47=R55时，差分计算可以简化为：
    实际应用电路中，我们为了简化计算，也是用最简方法计算，经常使用的电路也是上述电路，令电阻相等关系，简化计算。

放大电路的"偏移计算"
    为什么要对输出电压进行偏移？这是因为当采集负值时，我们的采样芯片和MCU几乎都不支持负值采样的时候，你就必须进行偏移，使得输出总是为正值。
    偏移电路，如图8，在原来同相端电阻接地GND的地方，我们接一个电压值，通常也称为偏移电压。那么最终表达式是什么？
    通过叠加定理最终得到：
    这里公式的成立，保证R64=R72，R73=R57，那么最终得到偏移公式是在原来基础上加个电压偏移量2.5V_Ref：
    只要根据实际应用选择合适的偏移量，输出总会为一个正值。
    比如，上图电路，输入电压变为-100V，那么最终输出电压就为：

    这样就将负电压偏移为正电压，处理器符合处理器处理要求了，偏移电路在采集如交流电、以及存在负直流电压的控制电路中广泛使用。

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