3个差分放大器入门知识点精讲

原创 工程师看海 2024-03-28 08:01

一、差分放大电路的缺点,你知道几个?

1、 差分放大器结构  
话不多说,直接干货,图1是差分放大电路的基本结构,由一个运算放大器和4个外围匹配电阻组成,常用来进行电流检测或差分信号放大,差分放大器有几个固有的弊端,如果不了解这些弊端,将影响我们的电路设计,看看这些弊端,你知道几个?(本文整理自看海的原创视频课程《运放秘籍》第二部:仪表放大器专项,详见后文)
图1 差分放大电路
2. 差分放大器弊端一:输入阻抗低 

差分放大器的输入阻抗非常低,这与它的匹配电阻相关,而且差分放大器两个输入端的阻抗并不对称。怎么计算两个输入端的输入阻抗呢?

如图1 中,计算Vi-的输入阻抗时,我们只看Vi-,忽略Vi+,参考图2 左图。此时的电路是一个反相放大的结构,由《运放秘籍》前期课程可知,反相放大电路的输入阻抗就约等于输入电阻R1。

图2 差分放大输入阻抗计算
计算Vi+的输入阻抗时,我们只看Vi+,忽略Vi-,参考图2 右图。此时的电路类似一个同相放大的结构,Vi+是被R1和R2分压后再被同相放大的,Vi+经过R1和R2到地,因此,Vi+的输入阻抗大约是电阻(R1+R2)的值。
我们做下输入阻抗的仿真,见图3 ,Vi-的输入阻抗是1KΩ,Vi+的输入阻抗是11KΩ,与我们前文分析的一致,详细仿真方法参考《运放秘籍》完整内容。
图3 差分放大输入阻抗仿真
差分放大器的输入阻抗不但低,而且两个输入端的阻抗并不对称,如果连接到差分放大器的信号源的两个引脚源阻抗不匹配,也会降低CMRR,这就是差分放大电路的二:共模抑制比低。

3、差分放大器弊端二:共模抑制比低 

差分放大器最完美的状态是图1电路中的两个R1完全相等、两个R2完全相等,然而,我们无法找到两个阻值一模一样的电阻,常见的电阻也有1%的误差。这会使得电阻失配,将大大降低共模抑制比CMRR。
图4 中,我们简单体会下差分放大器的CMRR,左边仿真图中,电阻是完全匹配的,输入的共模信号是0.1V@50Hz,此时输出是10uV,也就是说0.1V的共模输入信号被转换成了10uV的输出信号(虚拟运放模型的CMRR是100dB),换句话说就是,在外围电阻完全匹配的情况下,差分放大器的CMRR并不是无穷大,这受限于运算放大器。


图4 差分放大CMRR与电阻失配

而图4右图中,我们只把其中的一个电阻,按照最大误差1%从1KΩ改成了1.01KΩ,则在相同共模输入的情况下,输出变成了大约1000uV,是左图的10uV的100倍。这就是电阻失配,将降低共模抑制比,使得抑制共模干扰的能力大大降低。
能不能增加差分放大电路的输入阻抗和共模抑制比?于是,就有了经典的3运放仪表放大器。
、《运放秘籍》仪表放大器专项教程

在模拟电路领域,[差分放大器]与[仪表放大器]扮演着至关重要的角色,它们在多种应用场合中发挥着关键作用。但是,在课堂上或工作中,许多教师、学生以及工程技术人员对这些电路只了解个大概,但对于深入的技术细节可能掌握不足。这种状况可能会影响到电路的抗干扰性能,造成较大的噪声干扰,或者引起信号的严重失真。

我的视频课程《运放秘籍》第二部:仪表放大器专项,专门针对上述问题进行系统性讲解。以电流检测为起点,引入差分放大器的两个重大缺点,拓展到提高输入阻抗、提高共模抑制比的策略,引入仪表放大器。

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本课程将全面介绍仪表放大器的性能指标,并通过直流与交流仿真实践,深入理解仪表放大器的关键参数,包括压摆率、反馈回路、增益、电源抑制比、共模抑制比、钻石图以及噪声等方面。课程中将分析实际电路设计中的典型误区,着重讲解电路设计的关键点,实现理论与实践相结合的闭环学习体验,以达到对仪表放大器知识的系统掌握。

1、你会学到什么

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  • 了解如何有效提升差分放大电路的共模抑制比和输入阻抗;

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三、讲师介绍
工程师看海,硬件专家,《运放秘籍》系列视频创作者、畅销书《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》作者,前小米硬件工程师,国际人类脑图谱会员,985毕业,多次参与千万级别项目研发,任职世界500强,知乎、CSDN、电子星球知名博主。专注于硬件、软件设计分享,前沿技术剖析。
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