差分放大电路的设计原理、仿真和测试方法以及要解决的问题

摘要： 简述一种典型的差分输入差分输出放大电路的设计、仿真和测试方法， 讨论其设计原理及需要解决的问题。重点讲述差分滤波器的设计和计算， 指出与单端放大电路在设计和测试中的不同之处，并结合实际工作中的经验，就直流信号和交流信号的测试分别给出了一种简易案例。

与普通单端放大器相比， 差分放大器可以有效抑制输入信号中的共模噪声和地线电平电压浮动对电路的影响， 因此， 在工业应用中广受青睐。差分放大器中以仪表放大器应用最为广泛。随着技术的发展， 支持差分输入的ADC、MCU 越来越多， 由于差分传输能更好地抑制共模干扰， 信号传输距离更远， 越来越多的场合将使用差分传输。但是， 一般的仪表放大器仅支持单端输出。

因此， 采用双运放搭建了一种差分输入差分输出放大电路。与普通的单端放大电路相比， 差分放大电路在设计、分析、仿真和测试中有许多不同之处， 而这些知识在一般的模拟电路教材中很少介绍。

1 差分放大电路设计

根据被放大信号的不同, 可以将差分放大电路分成两种。一种是直流耦合差分放大电路， 其输入端没有隔直电容， 可以同时放大直流和交流信号， 如图1 所示。另一种是交流耦合差分放大电路，其输入端有隔直电容，用来隔离直流分量，放大信号中的交流成分，如图2 所示。

 

 

 

 

直流耦合差分放大电路

交流耦合差分放大电路

1.1 直流耦合差分放大电路

直流耦合差分放大电路由差分比例放大电路、差分滤波器、保护器件和补偿电阻四部分组成。其输入-输出关系为：

 

当信号频率较低时, 电容C1、C2、C3 的容抗很大， 差分放大电路的输入阻抗很高， 若运放工作在线性放大区， 则根据虚短和虚断定理， 可得:

 

将式(3) 、式(4) 代入式(1) 和式(2) ， 可得:

 

假设A 为差分放大电路的差分放大倍数, 则由式(5) 、式(6) 可得:

该差分放大电路中的滤波器采用了典型差分滤波器的形式， 由差模滤波器和共模滤波器组成， 主要作用是滤除传感器输出信号高频噪声以及RFI 噪声。假设传感器差模输出阻抗为Rd, 共模输出阻抗为Rc，C1 与C2的串联等效电容为CS12, 则差模滤波器的截止频率fd由Rd、R1、R2、CS12和C3 确定， 共模滤波器的截止频率fc由Rc、R1、R2、C1、C2 确定。

由于传感器信号传输线较长， 其寄生电感与放大器输入电容容易组成LC 谐振电路, 产生过冲和振荡， 为此， 在信号线上串联小电阻R1、R2 作为补偿电阻， 以减小或消除振荡。图1 中， 电容C4、C5 分别与电阻R3、R5 组成一阶低通滤波器， 抑制放大器噪声； 电阻R6、R7对运放进行环内补偿， 增加运放带容性负载的能力；BAT54S 作为保护器件加在放大器输入端, 防止静电放电以及输入电压超出运放最大输入电压范围而损坏运算放大器。

1.2 交流耦合差分放大电路

交流耦合差分放大电路如图2 所示。电容C9、C10、C11 的值远小于电容C7、C8 的值， 因此， 电容C9、C10、C11 对图2 中高通滤波器的影响可以忽略， 从而可得共模高通滤波器的截止频率fHPc。

电阻R10、R11 为运放提供偏置电压并为运放偏置电流提供流通路径。

2 差分放大电路仿真