基于集成运放的低频信号共模和差模成分的分离

张成怀

(河北科技大学 信息科学与工程学院,河北 石家庄 050018)

电子设备通常会受到各种电磁干扰,干扰包含传导干扰和辐射干扰,传导干扰又包含共模干扰和差模干扰[1-5],由于共模干扰信号和差模干扰信号产生的机理和耦合途径不同,需要设计不同的滤波器来进行抑制[6-8].一对模拟信号既含有共模成分又含有差模成分,所以需要将信号的共模和差模成分进行分离[9-10],然后采取相应措施对其中无用信号加以抑制.已知文献大多对高频信号的共模和差模成分进行分离研究,没有对低频信号的共模和差模成分的分离做专门研究.本文中,笔者基于集成运算放大器设计了一个将低频模拟信号的共模成分和差模成分分离的新电路.

集成运算放大器的输入端具有“虚短路”和“虚断路”的特征[11-12],如果给运算放大器引入负反馈,使集成运放工作在线性区,该电路可对直流信号和50 kHz及其以下的低频信号完成各种运算,包括加法运算、减法运算等[13].

图1 一对相对于地的模拟信号ui1和ui2Fig.1 A Pair of Analog Signals ui1 and ui2 Relative to Ground

(1)

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图2 加法运算电路Fig.2 Addition Operation Circuit

图3 减法运算电路Fig.3 Subtraction Operation Circuit

1 同相加法运算电路输出共模成分的仿真

1.1 仿真实验设计

表1 电压相量和的取值Tab.1 The Value of the Voltage °V

1.2 仿真电路及仿真结果

根据图2,由电路仿真软件Multisim构建仿真电路,频率为1 kHz的加法运算仿真电路如图4所示,频率为50 kHz的加法运算仿真电路如图5所示,运放为理想运放,用万用表测量电路的输出电压有效值.

图4 频率为1 kHz的共模输出的加法运算仿真电路Fig.4 Addition Operation Simulation Circuit with Common Mode Output with 1 kHz Frequency

图5 频率为50 kHz的共模输出的加法运算仿真电路Fig.5 Addition Operation Simulation Circuit with Common Mode Output with 50 kHz Frequency

表2 共模输出电压有效值Uo1的仿真结果Tab.2 The Simulation Result of Common Mode Output Effective Value Uo1

2 减法运算电路输出差模成分的仿真

根据图3,由仿真软件Multisim构建仿真电路,频率为1 kHz的减法运算仿真电路如图6所示,频率为50 kHz的减法运算仿真电路如图7所示,运放仍然为理想运放,用万用表测量电路的输出电压Uo2.

图6 频率为1kHz的差模输出的减法运算仿真电路Fig.6 Subtraction Operation Simulation Circuit with Differential Mode Output with 1 kHz Frequency

图7 频率为50 kHz的差模输出的减法运算仿真电路Fig.7 Subtraction Operation Simulation Circuit with Differential Mode Output with 50 kHz Frequency

表3 差模输出电压有效值Uo2的仿真结果Tab.3 The Simulation Result of Differential Mode Output Effective Value Uo2

3 结束语

随着社会的高速发展,电磁环境变得越来越复杂,电子设备会受到来自各方面的干扰,包括共模干扰和差模干扰,要抑制共模和差模干扰,需要设计不同的滤波器.干扰信号通常包含共模成分和差模成分,基于集成运放构建了一个加法运算电路和一个减法运算电路,用来将低频模拟信号的共模成分和差模成分进行分离,同时检测了共模成分和差模成分的强度,电路仿真的结果和理论值相符,结果表明所设计的电路在较宽的频段上是有效的.