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摘要: 差放有两个输入端子和两个输出端子,因此信号的输入和输出均有双端和单端两种方式。双端输入时,信号同时加到两输入端;单端输入时,信号加到一个输入端与地之间,另一个输入端接地。双端输出时,信号取于两输出端之间;单端输出时,信号取于一个输出端到地之间。
差分放大电路增大输入电阻的作用
(a)射极偏置差放 (b)电流源偏置差放
差放有两个输入端子和两个输出端子,因此信号的输入和输出均有双端和单端两种方式。双端输入时,信号同时加到两输入端;单端输入时,信号加到一个输入端与地之间,另一个输入端接地。双端输出时,信号取于两输出端之间;单端输出时,信号取于一个输出端到地之间。因此,差动放大电路有双端输入双端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出四种应用方式。上面两个电路均为双端输入双端输出方式。
差分放大电路的输入电阻分析

同时假设以下条件成立:
(1)运放理想
(2)电阻匹配,设R1=R2=R3=R4=10KΩ
设RIN_V2、RIN_V1分别为电路中,从V2端和V1端看进去的输入电阻。
如图1所示,V2端的输入电阻比较简单,可以直接看出RIN_V2=R3+R4,由于运放的3端没有电流进入,因此可以得到:
RIN_V2=R3+R4
=20KΩ
下面重点分析RIN_V1是如何得到的:
假设在V1端加入信号源V1,在V1的输入端产生了电流I,则理论上来说,RIN_V1可以表示为:
RIN_V1=U/I
从图3中可以得到:
I=(U-VN)/R1
而VN=VP=V2*R4/(R3+R4)
由式(16)~(18)可以得到:
RIN_V1=V1*(R3+R4)*R1/(V1*R3+V1*R4-V2*R4)
代入式(8)~(9)并整理,得到:
RIN_V1=(2*K2-K1(R3+R4)*R1)/((2*K2-K1)(R3+R4)-(2*K2+K1)R4)----(20)
K1=V2-V1-------------------VCOM两组输入信号之间的差模信号
K2=(V2+V1)/2--------------VDEF表示两组信号之间的共模信号
从式(20)可以看出,影响RIN_V1取值大小与电阻值、差模信号VDEF、共模信号VCOM的大小相关。
现考虑一种简单的情况,设共模信号VOCM为零,即K2=0。
带入式(20)中,可以得到:
RIN_V1=K1*(R3+R4)*R1/(K1(R3+R4)+K1R4)
=(R3+R4)*R1/(R3+2*R4)
=6.666KΩ
总结:
(1)由运放和分离电阻组成的差分电路的性能与运放、电阻匹配度等有关,在实际设计的时候需要考虑各方面因素。
(2)差分放大电路的两个输入端的输入电阻值不一致,影响差分放大电路的性能。
正是由于经典差分放大电路的缺点,才有了性能更好的差分放大器、仪表放大器等出现。
差分放大电路
差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用,有效地稳定静态工作点,以放大差模信号抑制共模信号为显著特征,广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐,特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法,难以理解,因而一直是模拟电子技术中的难点。差分放大电路:按输入输出方式分:有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出四种类型。按共模负反馈的形式分:有典型电路和射极带恒流源的电路两种。
差分放大电路的组成
差分放大器是由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻耦合构成的,如图所示。“对称”的含义是两个三极管的特性一致。

差分放大电路的基本状态
差放的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态。当外信号加到两输入端子之间,使两个输入信号Vi1、Vi2的大小相等、极性相反时,称为差模输入状态。此时,外输入信号称为差模输入信号,以Vid表示,且有:
当外信号加到两输入端子与地之间,使Vi1、Vi2大小相等、极性相同时,称为共模输入状态,此时的外输入信号称为共模输入信号,以Vic表示,且:
当输入信号使Vi1、Vi2的大小不对称时,输入信号可以看成是由差模信号Vid和共模信号Vic两部分组成,其中动态时分差模输入和共模输入两种状态。
(1)对差模输入信号的放大作用
当差模信号Vid输入(共模信号Vic=0)时,差放两输入端信号大小相等、极性相反,即Vi1=-Vi2=Vid/2,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反,导致两输出端对地的电压增量,即差模输出电压Vod1、Vod2大小相等、极性相反,此时双端输出电压Vo=Vod1-Vod2=2Vod1=Vod,可见,差放能有效地放大差模输入信号。
要注意的是:差放公共射极的动态电阻Rem对差模信号不起(负反馈)作用。
(2)对共模输入信号的抑制作用
当共模信号Vic输入(差模信号Vid=0)时,差放两输入端信号大小相等、极性相同,即Vi1=vI2=Vic,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同,导致两输出端对地的电压增量,即差模输出电压Voc1、Voc2大小相等、极性相同,此时双端输出电压Vo=Voc1-Voc2=0,可见,差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。[1]
此外,在电路对称的条件下,差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。
性能衡量指标
共模抑制比:

Ad是差模信号放大倍数、Ac共模信号放大倍数。KCMRR越大电路的性能也就愈好。因此增大Re是改善共模抑制比的基本措施。
| 型号 | 厂商 | 价格 |
|---|---|---|
| EPCOS | 爱普科斯 | / |
| STM32F103RCT6 | ST | ¥461.23 |
| STM32F103C8T6 | ST | ¥84 |
| STM32F103VET6 | ST | ¥426.57 |
| STM32F103RET6 | ST | ¥780.82 |
| STM8S003F3P6 | ST | ¥10.62 |
| STM32F103VCT6 | ST | ¥275.84 |
| STM32F103CBT6 | ST | ¥130.66 |
| STM32F030C8T6 | ST | ¥18.11 |
| N76E003AT20 | NUVOTON | ¥9.67 |