在模擬電路設(shè)計(jì)中，我們需要處理各種電壓電流小信號(hào)，這個(gè)時(shí)候很多工程師會(huì)下意識(shí)想到“同向運(yùn)算放大器”和“反向運(yùn)算放大器”，因?yàn)樵诖髮W(xué)時(shí)《模電》書(shū)上老師教過(guò)，所以記憶深刻。但是，“差分式放大電路”卻常常被遺忘，不會(huì)自然而然去使用，不掌握“差分式放大電路”的使用是非常可惜的，因?yàn)樗谖覀冸娮与娐吩O(shè)計(jì)中實(shí)在是太重要了。

先來(lái)看看我們常用的“同向運(yùn)算放大器”和“反向運(yùn)算放大器”，如圖1和圖2所示，根據(jù)“理想運(yùn)放”的虛短和虛斷定義，通過(guò)列基爾霍夫電壓電流方程即可得到“同向運(yùn)算放大器”和“反向運(yùn)算放大器”的電壓增益公式。

圖1 同向運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)及增益計(jì)算公式

圖2 反向運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)及增益計(jì)算公式

圖1和圖2所示的“同向放大電路”和“反向放大電路”存在明顯的缺陷：運(yùn)放兩輸入端的輸入電阻不相等，即運(yùn)放兩端不對(duì)稱，這就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放兩端輸入偏置電流不匹配，從而引起輸入失調(diào)電流Ios和輸入失調(diào)電壓Vos，最終反映在運(yùn)放輸出端出現(xiàn)較大的噪聲電壓，降低放大電路放大精度。我們將圖1圖2所示電路稍加變化就能克服運(yùn)放兩端不對(duì)稱而導(dǎo)致的噪聲電壓影響，如圖3所示。

圖3 輸入端對(duì)稱的同向放大電路和反向放大電路

在圖3中，雖然讓“同向放大電路”和“反向放大電路”兩輸入端電阻相等了，降低了輸入失調(diào)電流的影響，但在運(yùn)用時(shí)仍然受限。“同向放大電路”電壓增益是恒大于1的，不能將信號(hào)縮小，有可能會(huì)使輸出電壓越限，超過(guò)后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的參考電平而無(wú)法轉(zhuǎn)換;而“反向放大電路”會(huì)將輸入信號(hào)反向，正電壓信號(hào)輸入得到負(fù)電壓輸出，且需要雙電源對(duì)運(yùn)放供電，另外后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般無(wú)法處理負(fù)電壓信號(hào)。因此，要解決上述問(wèn)題，就需要使用差分式放電電路，可進(jìn)行信號(hào)放大，也可進(jìn)行信號(hào)縮小，標(biāo)準(zhǔn)的差分式放大電路如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)差分式放大電路

在圖4標(biāo)準(zhǔn)差分式放大電路中，Vref是基準(zhǔn)電壓，是為了將整個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行電平抬高，這樣即使輸入信號(hào)源有負(fù)電壓，在電平抬高后，運(yùn)放輸出端也不會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓，方便后端模數(shù)轉(zhuǎn)換。一般來(lái)說(shuō)，Vref的選取需要考慮后端ADC的模擬參考電平值(即ADC能轉(zhuǎn)換的最高電壓)，如果ADC的模擬參考電平值為5V，那么我們就可以將基準(zhǔn)電壓Vref設(shè)定為2.5V，這樣就將輸入信號(hào)源整體拔高了2.5V，使輸入信號(hào)源正向電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放處理后變化范圍在2.5V～5V之間，輸入信號(hào)源負(fù)向電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放處理后變化范圍在0V～2.5V之間。因?yàn)檫\(yùn)放輸出均為正向電壓，所以對(duì)運(yùn)放的供電電源也不需要使用雙電源供電，只用單電源供電就可以了。

下面列舉一個(gè)我曾經(jīng)做過(guò)的案例進(jìn)行說(shuō)明：

在電力系統(tǒng)或者電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，經(jīng)常需要測(cè)量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)中電池組(鉛酸電池或者鋰電池)的充、放電電流，顯然電流是有方向的，如果定義充電為正向，那么放電就為負(fù)向，假設(shè)電池組的充、放電電流范圍在-200A～200A。

CPU選擇的是飛思卡爾處理器MPC5644A，可利用CPU內(nèi)部的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行采樣，CPU是5V供電，但其內(nèi)部ADC有專門(mén)的模擬參考電平引腳(VRH，VRL)，如圖5所示。

圖5 微處理器MPC5644A模擬參考電平引腳圖

(1)首先選擇霍爾電流傳感器型號(hào)：根據(jù)電流測(cè)量范圍選擇飛軒SZ128E2-200A，規(guī)格參數(shù)如圖6所示，該霍爾采用雙電源±12V或±15V供電，在-200A～200A測(cè)量范圍內(nèi)，霍爾輸出電壓范圍對(duì)應(yīng)為-4V～4V;

圖6 霍爾電流傳感器SZ128E2-200A規(guī)格參數(shù)

(2)然后設(shè)計(jì)霍爾電流傳感器的采樣檢測(cè)電路以及確定CPU模擬參考電壓：運(yùn)放采用單電源5V供電，選擇差分式放大電路將霍爾電壓輸出信號(hào)縮小，然后通過(guò)基準(zhǔn)電平VREF進(jìn)行整體抬高，使運(yùn)放輸出正向電壓信號(hào)。根據(jù)霍爾輸出電壓范圍在-4V～4V，我們可以設(shè)定CPU內(nèi)部ADC模擬參考電平VRH=4V，采用TL431設(shè)計(jì)得到，并通過(guò)高精度電阻分壓得到運(yùn)放基準(zhǔn)電平VREF=2V(一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)放基準(zhǔn)電平選擇為ADC模擬參考電平的一半)，如圖7和8所示;

圖7 霍爾電流傳感器的采樣檢測(cè)電路

圖8 采用TL431設(shè)計(jì)ADC模擬參考電平VRH及運(yùn)放基準(zhǔn)電平VREF

(3)計(jì)算進(jìn)入ADC的電壓信號(hào)即運(yùn)放調(diào)理后的電壓輸出：根據(jù)圖4所示標(biāo)準(zhǔn)差分運(yùn)放增益計(jì)算公式可以得到霍爾經(jīng)過(guò)運(yùn)放后的輸出：Vo=-(R22/R20)*Vct+Vref=-(4.7/10)*Vct+2;因此，當(dāng)霍爾充電電流達(dá)到最大200A時(shí)，Vct=4V，那么計(jì)算出Vo=0.12V;當(dāng)霍爾放電電流達(dá)到最大200A時(shí)，Vct=-4V，那么計(jì)算出Vo=3.88V;可以看到Vo的輸出在0.12V～3.88V之間，此范圍段均在ADC模擬參考電平VRH=4V的范圍內(nèi)，不會(huì)越限。圖7中射極跟隨器是用作隔離及提高基準(zhǔn)電平VREF的帶負(fù)載能力，不然的話圖7運(yùn)放U8正極電阻R21、R23就會(huì)對(duì)VREF前端的分壓電阻產(chǎn)生影響，使分壓得到的基準(zhǔn)電平VREF不正確。

綜上：對(duì)于輸入信號(hào)源有正、負(fù)方向的，在使用運(yùn)放時(shí)是一定要通過(guò)基準(zhǔn)電平進(jìn)行電壓抬高的，這樣進(jìn)入ADC的信號(hào)才能是正向電壓，我們?cè)谑褂眠\(yùn)放時(shí)要盡量采用差分式運(yùn)放，差分式運(yùn)放共模輸入電壓最小(最終在運(yùn)放輸出端呈現(xiàn)的共模干擾信號(hào)就會(huì)小)，能夠很好的抑制輸入的共模干擾信號(hào)及雜波，并且因?yàn)檩斎雰啥藢?duì)稱(運(yùn)放正、負(fù)輸入電阻相等)，電路整體的輸入失調(diào)電流和失調(diào)電壓相比于同向和反向放大電路也會(huì)小的多。