常规放大电路和差分放大电路设计

0、小叙闲言

有一个两相四线的步进电机，需测量其A、B两相的电流大小，电机线圈的电阻为0.6Ω，电感为2.2mH。打算在A、B相各串接一个0.1Ω的采样电阻，然后通过放大电路，送到单片机采样（STM32，12位AD采样），放大的电压值是最大应为3v。电路如下。我在这里讨论其中的采样放大电路。很多东西平时在书本上学到烂熟，但真正在实战时，还是碰到了不少问题。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。因此，在这里总结一下，供自己学习之用，或许也可给大家一点点帮助。

图1 步进电机系统结构图

1、常规放大电路

这里暂时不讨论放大电路的工作原理，直接使用放大器的虚短（短路）和虚断（断路）性质来分析这一类电路，之所以在前面加个虚字，是因为放大器的两端并不是真正的短路或断路。如下图所示，虚短：UP=UN，虚断：IP=0; IN=0。无论放大器接在何种电路中，这两个式子都是成立的。

图2 放大器性质

1.1、电压跟随器

电压跟随，听名字应该就能想到，它的作用就是输出电压Uo应该是随着输入电压Ui变化而变化的（Uo=Ui），如下图所示，由上面讲到的虚短性质，很容易得到Ui=Up=Un=Uo。有人会疑问，直接把Ui接到Uo，岂不是更加方便，要这个做什么。这个就要看电路需求而定了。电压跟随器的作用一般是起到隔离的作用，输入的电流太大的话，也不影响到输出的电流。

图3 电压跟随器电路图

1.2、电压放大电路

说了这么多，也没有看到放大器起到放大的作用，那么它是如下做到放大的电压作用的呢，且看下面这个电路。

图4 电压放大电路

从图4可以看到电路将输入电压放大了-3倍，这个负号来源，在图4中的公式推导已经说得很明白了。充分利用虚短和虚断的性质，加上外接电路，可以实现放大电压的功能（当然也可以缩小电压）。这个电路有一个小小的问题，就是它放大电压后有一个负号，平时我们要的都是输出电压与输入电压同符号，那么如何做到输出电压与同向呢，其实也很容易，且看下面电路图5。它的放大倍数也很好计算，元器件没有比上面多。但是这里又引是入一个新的问题，从下图4的公式推导中，可以明显看到，Uo/Ui>1，那么在我们需要将电压值缩小的场合，这个电路将不再适用。

图5 电压同向放大电路

那么如何做到同向的任一放大倍数的电路呢，也并不难，又请看下方图6电路。电路中多了两个电阻，成本并不会增加多少。由图6中推导的公式，如果R1+R2=R3+R4，那么放大倍数Uo/Ui=R4/R1,这个电阻阻值大小是完全可以做到任意选择的。在实际电路的设计过程中，通常令R1=R3，R2=R4,这样可以使R1+R2=R3+R4成立，同时也能够很清晰地记住这个电路的放大倍数即为：Uo/Ui=R2/R1。

图6 电压同向任一放大倍数电路

2、差分放大电路

上面讲到的所有放大电路都有一个明显的特点，就是它们只是放大某一个电势点，另一个电势点是默认接地的。而有时我们需要放大电压的两端电势没有一个接地的，那么这个时候，上述所有放大电路将不再适用。我文章一开头提到的采样步进电机电流，就是这种情况，这个时候就是差分放大电路登场的时间了。

图7 差分放大电路

在使用差分放大电路时，有一点需要特别地注意，不仅|k*(U1-U2)|<15（最好是小于13V左右，取得比较好的效果），而且Un与Up应该也要小于15v，否则放大不会工作在线性区，导致电路非正常工作。

心得总结

关于放大电路的更加深刻的工作原理，比如虚短虚断的性质是如何来的，还没有去更加深入的研究（虽然在本科期间学习过，但现在还是忘了），另外当图4中的放大器负输入端接地，而正输入端接输入电压，无法得到想要的放大效果，也就是放大器的正负输入端倒底有何区别，还没有很明白，是后要学习的内容。