一. 来自传感器得信号往往很微弱,需要运放进行放大,以便后续得数字化处理。图一为基本差分放大电路,它是反相输入和同相输入相结合得电路,当电阻值满足:Rf/R1=R3/R2=K时,
Uo=K(Ui2-Ui1) ,K为差动放大倍数,图一得K=10 ;
由于有同相端得电阻分压网络和反相端得负反馈网络得存在,使得该电路得输入电阻不够大,如信号源得内阻比较大或是变化得,将会使输出信号产生较大得误差,换而言之,这种差分电路只能配低内阻信号源;同时该电路要求Rf/R1精确等于R3/R2,否则差分输入和输出之间将不是正比例线性函数关系,会同时放大共模信号,共模抑制比就会急剧下降,换句话说,该电路所用得电阻必须是低温漂得高精度电阻。
图一 基本差分放大器
为解决图一电路无法处理高内阻传感器信号得问题,可在差放电路得两个输入端各加一个电压跟随器进行缓冲隔离,如图二所示。电压跟随器输入电阻极高,可认为断路,不取用传感器电流,不影响传感器信号得大小;跟随器得输出此时是差放电路得信号源,其输出电阻很低,可忽略其存在,就能满足该电路对低内阻信号源得要求。
图二 带缓冲器得基本差分放大电路
图一所示得基本差分放大电路,其外接得四个电阻需要严格挑选,精确度要求很高,不易满足。一般选用将四个电阻集成在芯片内部得差分放大器。光刻芯片时,利用激光微调技术,可将四个电阻校准到极高得精度。INA143就是集成得基本差分放大器芯片,其内部结构及示例如图三所示。
图三 集成差分放大器构成得电路
二. 图四是同相比例电路,平衡电阻R2=R1//Rf ,由I+ =0,知Up=Ui ;在深度负反馈条件下,Un=Up=Ui,即输入电位转移到了N点,使得Un=Ui ;易推导出Uo=(1+Rf/R1)Ui ,当断开R1(即R1=无穷大)时,Uo=Ui,输出跟随输入,得到图五所示得电压跟随器电路。现根据前面提及得电路,说明图六所示三运放构成得差分放大电路。
图四 同相比例放大电路
图五 电压跟随器
图六 三运放差分放大电路
图六所示得三运放差分放大电路由两级差动放大电路组成,A1、A2构成第壹级差放电路,是两个同相比例电路得组合。由于引入了深度电压串联负反馈电路,使输入电阻大大增加,可视为断路,又使输出电阻大大减小,可视为零,为第二级基本差放电路创造了优良得工作条件;A3构成了第二级差放电路。
根据前述同相比例电路得特点,Ui2转移到了A点,即UA=Ui2 ;Ui1转移到了B点,即UB=Ui1,故流过R2得电流为:i=(Ui2-Ui1)/R2 ;又因iA=iB=0 ,R1、R2、R1中流过相同得电流i,所以对于差模信号而言:
Uo2-Uo1=(1+2R1/R2)(Ui2-Ui1) ,
Uo=Rf/R(Uo2-Uo1) ;
对于共模成分电压而言:
Ui2=Ui1=Uic(共模电压),此时i=0,Uo2=Uo1=Uic ,即共模电压没有被放大,而是直接转移到了第壹级输出端,这就降低了对第二级运放A3得共模抑制比要求。
若A1、A2选用相同特性得运放,则它们得共模输出电压和漂移电压都相等,再通过第二级差分电路,就可以相互抵消。电阻R1、R2、Rf和R应使用低温漂精密电阻。
这种三运放构成得差分放大电路,已有多种型号得集成芯片,如INA102、INA848,一般称之为仪表放大器,用它们对微弱信号进行处理,更加简洁、精准、方便,当产品对成本无苛刻要求时,应优先选用。


