一種典型的差分放大電路設計與測試

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: