一种典型的差分放大电路设计与测试*

2010-05-18徐科军

网络安全与数据管理 2010年20期

姜鹏,徐科军

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009)

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[1]。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[2]。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。

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:

式(1)～式(7)中所有加减运算均为矢量相加减，式(7)表明该差分放大电路的差分放大倍数A由电阻R3、R4、R5确定。

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[3]。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[4]；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。

假设电容C7与C8的串联等效电容为CS78，则差模高通滤波器的截止fHPd频率为:

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[5]。

2 差分放大电路仿真

在完成电路设计后，采用Multisim仿真软件对电路进行仿真，以检验电路结构是否合理、器件选择是否恰当、滤波器截止频率设计是否正确等[6]。仿真电路原理图如图3所示。表1所示为虚拟信号发生器XFG1参数设置，表2所示为虚拟示波器XSC1各通道交流信号测量结果以及XBP1波特图仿真结果。

表1 XFG1参数设置

表2 XSC1和XBP1仿真结果

假设图 3中 3、4、9处的交流信号峰峰值电压分别为 V3、V4、V9，则由式(5)可得：

由表2结果和式(12)可知，差分比例放大部分的设计是正确的。由图3、式(9)和表2结果可知，共模滤波器的设计是正确的。

假设一阶RC低通滤波器通带电压增益为A0，则其幅频响应可以用式(13)表示[7]。

式中，ω为信号角频率，ωc为差分滤波器截止角频率。表3所示为不同频率信号的仿真结果。由图3、式(8)、式(13)和表3结果可知，差模滤波器的设计是正确的。

表3 不同频率信号的衰减情况

3 差分放大电路测试

以直流耦合放大电路为例简要说明测试方法和步骤，测试框图如图4所示。差分输入电压由YOKOGAWA CA100系列小型校验仪产生，差分输出电压由四位半精度的VC9806+系列数字万用表测量得出。注意，为了使运放工作在线性放大区，需要给运放提供适当的偏置电压[8]。表4所示为CA100输出不同电压时VC9806+的测试结果，结果表明直流耦合放大电路的差分比例放大倍数约为21。

在直流电压上叠加交流信号，测试交流信号放大、差分滤波器的设计是否正确。测试框图如图5所示。输入信号由Fluke 282多信道信号发生器产生，输出信号由Tek DPO 4054示波器测量得出。由于Fluke 282信号发生器的输出直流偏置电压受输出交流信号幅值的影响，当交流信号的幅值越小时，直流偏置电压越低，此时，运放共模抑制比很低，而且可能超出运放共模输入电压范围。因此，采用如下方法：Fluke 282输出两路同相位正弦波信号，信道1信号加在a端，参数设置为1 000 mVpp，10 Hz， 2.50 V 偏置电压，0°主模式；信道 2信号加在 b端，参数设置为 900 mVpp，10 Hz，2.50 V偏置电压，0°从模式。示波器测量结果如表5所示,其中CH1、CH2、CH3、CH4 分别测量 TP1、TP2、TP7、TP8 处交流信号峰峰值电压和相位，设置CH1相位为0°。