电路分析：差分运算放大电路的"偏移计算"

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差分运算放大电路，对共模信号得到有效抑制，而只对差分信号进行放大，因而得到广泛的应用。

3 N' r( u; F0 d; ^) j! U; X3 d差分电路的电路构型

图1 差分电路

1 C" Q/ {2 `; R7 A目标处理电压：是采集处理电压，比如在系统中像母线电压的采集处理，还有像交流电压的采集处理等。
差分同相/反相分压电阻：为了得到适合运放处理的电压，需要将高压信号进行分压处理，如图1中V1与v2两端的电压经过分压处理，最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。

差分放大电路：
反馈，对于运算放大电路来说，运放工作在线性区，所以这里一定是负反馈，没有反馈（开环）或者是正反馈，那是比较器电路而不是放大电路，这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区，正因为饱和，输出才是电源电压的幅值。
9 s( ]7 ^/ `1 G1 \+ g9 U
( K: A! W0 }; a: l% ~+ D/ c/ F图2是一种带正反馈的运放电路，这里就不能叫运算放大电路了，因为运放的开环放大倍数理想是无限大，当然实际中不可能无限大，所以如下结构是迟滞电压比较器，运放工作在非线性区或饱和区。
. m$ r. @/ O7 s. I: L) a( B" ~
9 d) ]4 o1 h, e. _

  N% J7 k& h5 H1 m* z图2
2 L& h$ O- s1 |
图3，依然是电压比较器结构，上面已经提到，运放开环增益很大，不带负反馈，工作就如非线性区，当做电压比较器来使用。
, `; ?- v' s4 F) Y3 f
  I" `8 G  {3 h+ ]2 G, h  P( z

9 _# h7 H& \! U* G6 J2 l; Z图3

- L4 x1 ]: m/ D运算放大器，反馈电阻从输出接到反相端"-"就是负反馈，当然在输出信号不超过电源电压时（注：一切信号的能量来源是电源，输出当然不可能超过电源幅值），实现的功能就是放大信号的功能；接到同相端"+"就是正反馈，电路功能是电压比较器。当然在实际当中我们并不提倡用运放去做电压比较器，而是选用专用的比较器，如LM339、LM393、LM211等，因为比较器和运放在实际当中内部器件的工作状态还是有区别的。

比较器接了限流电阻—"R74、R77"，这是因为比较器在幅值切换时，快速上升或下降沿对后级容性负载进行充放电，这个充放电电流确来自这个有源器件—比较器，因此加限流电阻目的是防止电流冲击。
6 V* l" i* p  I$ w2 H
$ G$ @* ]) Y0 c, A8 P/ w* CRC滤波：可以酌情调节，目的是防止输出过冲等信号失真问题
% A+ x7 L: @2 B8 I) g3 s1 s4 y差分输入电压的计算
图4电路，为了便于计算，我们给定每个阻值。
差分电路的另一个特点是对称性，R40=R56及R47=R55，差分分压两个支路电阻也是相等的。

图4
# _) J; ]1 Z+ s; t- M( l
1 T$ I0 y7 L# m& k% }Vin+和Vin-的值是如何计算的？
我们先通过繁琐的计算来得到，然后再简化计算。

首先，运放的同相端5引脚和反相端6引脚，利用"虚短"得到，其中系数6是指6个100k的电阻，方便简化式子：
: X  ^0 L4 Q9 b, z

5 g4 W0 W4 O# w& L
那么通过分压关系得到Vin+：
  f* K( U3 x. K. v6 e2 G; b7 b
5 ~: l. p& ^3 v; o* e: l/ }! `3 G

6 f3 `% b) [; Y5 _6 Q$ K再次通过分压关系得到Vin-：
; b2 k5 e1 u0 T' ~

; T: ?1 D' R6 h( I% E
4 m$ y. l! c9 A" |$ N$ X% E

$ s9 Q* ~* L' ~3 b, p0 T" i
; a& o, X  F0 @2 R4 {那么就得到Vin+减Vin-的值。
9 u: }4 q6 s% R0 D9 C" ?
其实还有一种简单方法得到Vin+减Vin-的值，利用运放的虚短特点，可将电路等效为：
0 l0 E% j. a. U/ {$ ~; f
7 A4 k' M  m/ ~3 \8 r# Y2 a

8 n" b! P2 E. ]+ o图5

. V* a# e( B$ W8 R9 V1 k0 C+ N图6

2 P2 B. u; ~* ~1 I所以要计算Vin+减Vin-的值，变得很容易，只是一个简单的分压电路而已，如下计算得到：

- k0 @1 d% c0 ?6 t* j; K

5 t4 ^( c0 h+ M得到差分电压输入值是0.84V。

/ x% U  U" s( W4 d" a6 V' U7 X差分放大电路的计算
  T% k. s' I0 u$ G  B; t# `
  `% s3 [$ o+ M7 g5 W

图7
* b- R+ m' Y4 J3 _7 w4 M' h
计算公式推导，依旧遵循运放的虚短和虚断特性，当R56=R40，R47=R55时，差分计算可以简化为：

. o% a" T, n( M

实际应用电路中，我们为了简化计算，也是用最简方法计算，经常使用的电路也是上述电路，令电阻相等关系，简化计算。

放大电路的"偏移计算"
为什么要对输出电压进行偏移？这是因为如当采集负值时，我们的采样芯片和mcu几乎都不支持负值采样的时候，你就必须进行偏移，使得输出总是为正值。
6 w! [/ k- @7 y* a7 O6 n# j
% U/ w% `4 t0 z- z9 w. y偏移电路，如图8，在原来同相端电阻接地GND的地方，我们接一个电压值，通常也称为偏移电压。那么最终表达式是什么？

8 k8 T+ m0 h4 e  I( `图8

: C6 D- L5 J# H/ J9 h* J通过叠加定理最终得到：

% m8 P6 I; p0 M$ s3 Y/ H这里公式的成立，保证R64=R72，R73=R57，那么最终得到偏移公式是在原来基础上加个电压偏移量2.5V_Ref：

/ V0 n: ?3 b- r  k+ ]$ p

0 i6 `% b- r# U- z! T
只要根据实际应用选择合适的偏移量，输出总会为一个正值。
; U" j" @% C* w0 V& t9 L

图9
* ?  K8 t( S6 x- b
比如，图9电路，输入电压变为-100V，那么最终输出电压就为：

% z1 A2 d7 B" B& b

这样就将负电压偏移为正电压，处理器符合处理器处理要求了，偏移电路在采集如交流电、以及存在负直流电压的控制电路中广泛使用。

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反馈，对于运算放大电路来说，运放工作在线性区，所以这里一定是负反馈，没有反馈（开环）或者是正反馈，那是比较器电路而不是放大电路，这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区，正因为饱和，输出才是电源电压的幅值。