摘要： 簡述一種典型的差分輸入差分輸出放大電路的設計、仿真和測試方法， 討論其設計原理及需要解決的問題。重點講述差分濾波器的設計和計算， 指出與單端放大電路在設計和測試中的不同之處，并結合實際工作中的經驗，就直流信號和交流信號的測試分別給出了一種簡易案例。

與普通單端放大器相比， 差分放大器可以有效抑制輸入信號中的共模噪聲和地線電平電壓浮動對電路的影響， 因此， 在工業應用中廣受青睞。差分放大器中以儀表放大器應用最為廣泛。隨著技術的發展， 支持差分輸入的ADC、MCU 越來越多， 由于差分傳輸能更好地抑制共模干擾， 信號傳輸距離更遠， 越來越多的場合將使用差分傳輸。但是， 一般的儀表放大器僅支持單端輸出。

因此， 采用雙運放搭建了一種差分輸入差分輸出放大電路。與普通的單端放大電路相比， 差分放大電路在設計、分析、仿真和測試中有許多不同之處， 而這些知識在一般的模擬電路教材中很少介紹。

1 差分放大電路設計

根據被放大信號的不同, 可以將差分放大電路分成兩種。一種是直流耦合差分放大電路， 其輸入端沒有隔直電容， 可以同時放大直流和交流信號， 如圖1 所示。另一種是交流耦合差分放大電路，其輸入端有隔直電容，用來隔離直流分量，放大信號中的交流成分，如圖2 所示。


直流耦合差分放大電路
交流耦合差分放大電路

1.1 直流耦合差分放大電路

直流耦合差分放大電路由差分比例放大電路、差分濾波器、保護器件和補償電阻四部分組成。其輸入-輸出關系為：


當信號頻率較低時, 電容C1、C2、C3 的容抗很大， 差分放大電路的輸入阻抗很高， 若運放工作在線性放大區， 則根據虛短和虛斷定理， 可得:


將式(3) 、式(4) 代入式(1) 和式(2) ， 可得:


假設A 為差分放大電路的差分放大倍數, 則由式(5) 、式(6) 可得:


式(1)～式(7) 中所有加減運算均為矢量相加減， 式(7)表明該差分放大電路的差分放大倍數A 由電阻R3、R4、R5 確定。


該差分放大電路中的濾波器采用了典型差分濾波器的形式， 由差模濾波器和共模濾波器組成， 主要作用是濾除傳感器輸出信號高頻噪聲以及RFI 噪聲。假設傳感器差模輸出阻抗為Rd, 共模輸出阻抗為Rc，C1 與C2的串聯等效電容為CS12, 則差模濾波器的截止頻率fd由Rd、R1、R2、CS12和C3 確定， 共模濾波器的截止頻率fc由Rc、R1、R2、C1、C2 確定。



由于傳感器信號傳輸線較長， 其寄生電感與放大器輸入電容容易組成LC 諧振電路, 產生過沖和振蕩， 為此， 在信號線上串聯小電阻R1、R2 作為補償電阻， 以減小或消除振蕩。圖1 中， 電容C4、C5 分別與電阻R3、R5 組成一階低通濾波器， 抑制放大器噪聲； 電阻R6、R7對運放進行環內補償， 增加運放帶容性負載的能力；BAT54S 作為保護器件加在放大器輸入端, 防止靜電放電以及輸入電壓超出運放最大輸入電壓范圍而損壞運算放大器。

1.2 交流耦合差分放大電路

交流耦合差分放大電路如圖2 所示。電容C9、C10、C11 的值遠小于電容C7、C8 的值， 因此， 電容C9、C10、C11 對圖2 中高通濾波器的影響可以忽略， 從而可得共模高通濾波器的截止頻率fHPc。


假設電容C7 與C8 的串聯等效電容為CS78， 則差模高通濾波器的截止fHPd頻率為:


電阻R10、R11 為運放提供偏置電壓并為運放偏置電流提供流通路徑。

2 差分放大電路仿真

在完成電路設計后， 采用Multisim 仿真軟件對電路進行仿真， 以檢驗電路結構是否合理、器件選擇是否恰當、濾波器截止頻率設計是否正確等。仿真電路原理圖如圖3 所示。表1 所示為虛擬信號發生器XFG1 參數設置， 表2 所示為虛擬示波器XSC1 各通道交流信號測量結果以及XBP1 波特圖仿真結果。
 

表2 XSC1 和XBP1 仿真結果。

XFG1 參數設置

表2 XSC1 和XBP1 仿真結果。

XSC1 和XBP1 仿真結果

假設圖3 中3、4、9 處的交流信號峰峰值電壓分別為V3、V4、V9， 則由式(5) 可得：


由表2 結果和式(12) 可知， 差分比例放大部分的設計是正確的。由圖3、式(9) 和表2 結果可知， 共模濾波器的設計是正確的。

仿真電路原理圖

假設一階RC 低通濾波器通帶電壓增益為A0， 則其幅頻響應可以用式(13) 表示。


式中，ω 為信號角頻率，ωc為差分濾波器截止角頻率。表3 所示為不同頻率信號的仿真結果。由圖3、式(8) 、式(13) 和表3 結果可知， 差模濾波器的設計是正確的。

表3 不同頻率信號的衰減情況

不同頻率信號的衰減情況

3 差分放大電路測試

以直流耦合放大電路為例簡要說明測試方法和步驟， 測試框圖如圖4 所示。差分輸入電壓由YOKOGAWACA100 系列小型校驗儀產生， 差分輸出電壓由四位半精度的VC9806 + 系列數字萬用表測量得出。注意， 為了使運放工作在線性放大區， 需要給運放提供適當的偏置電壓[ 8]。表4 所示為CA100 輸出不同電壓時VC9806+ 的測試結果， 結果表明直流耦合放大電路的差分比例放大倍數約為21。


直流信號放大測試框圖
直流耦合通道交流信號測試框圖

在直流電壓上疊加交流信號， 測試交流信號放大、差分濾波器的設計是否正確。測試框圖如圖5 所示。輸入信號由Fluke282 多信道信號發生器產生， 輸出信號由Tek DPO 4054 示波器測量得出。由于Fluke 282 信號發生器的輸出直流偏置電壓受輸出交流信號幅值的影響， 當交流信號的幅值越小時， 直流偏置電壓越低， 此時， 運放共模抑制比很低， 而且可能超出運放共模輸入電壓范圍。因此， 采用如下方法：Fluke 282 輸出兩路同相位正弦波信號， 信道1 信號加在a 端， 參數設置為1000 mVpp ，10 Hz， 2.50 V 偏置電壓，0° 主模式； 信道2 信號加在b 端， 參數設置為900 mVpp ，10 Hz，2.50 V 偏置電壓，0° 從模式。示波器測量結果如表5 所示, 其中CH1、CH2、CH3 、CH4 分別測量TP1、TP2、TP7 、TP8 處交流信號峰峰值電壓和相位， 設置CH1 相位為0°。

表5 直流耦合通道交流信號測試結果

直流耦合通道交流信號測試結果

由表5 可知，VTP1=980.0 mV，VTP2=880.9 mV, 帶入式(5) 和式(6) ， 可得VTP7 =1971 mV，VTP8 =-100.1 mV， 其中VTP1、VTP2、VTP7、VTP8的值均為矢量值。表5 所示峰峰值測量結果表明交流信號的放大是正確的。

表6 所示為不同頻率時，a、b、TP1、TP2 處測試結果， 結果顯示通過差分濾波， 實際信號衰減稍大于理論值， 這是由信號發生器輸出阻抗及電路板寄生電容引起的。

表6 不同頻率時a、b、TP1、TP2 處測量結果

不同頻率時a、b、TP1、TP2 處測量結果

交流耦合差分放大電路測試方法與交流信號測試方法相似， 但是， 由于電阻容差、運放輸入偏置電流、失調電壓及隔直電容漏電流等因素的影響， 差分輸出端存在一定直流電壓差， 這與仿真的結果是不同的。

該差分放大電路可以看成兩路單端同相放大電路的合成。但是， 差分放大電路放大差分信號， 抑制共模信號； 兩路輸出信號之間存在相位差。因此， 采用單端探頭測量差分放大電路時， 需要同時考慮信號的幅值和相位， 以便計算和分析。

使用雙運放搭成的具有儀表放大器輸入結構的差分輸入差分輸出放大電路能有效抑制電路溫度漂移、零點漂移和共模噪聲。在沒有差分探頭時， 使用單端探頭對差分放大電路進行測試， 并計算輸入通道信號失量差和輸出通道信號矢量差來驗證差分信號的放大， 具有較好的實用價值。