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。

差分电路的电路构型

  v- C1 K% E5 u" z6 B$ ~图1 差分电路
. A8 v. B( h. C6 b  Q
& l) }3 Q, Y' l" j2 k7 e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。
% u( |; D- I1 V- W0 c% G. C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：
; W; N9 a& S- m. r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。
8 ]" a! ?8 M) O, O0 \- J6 k+ N
( q8 z  h( Y+ S" {3 W' s1 B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。
% H6 X/ k/ U7 F  O  A) d$ L9 Q0 _
" y  }8 j( [3 S& i: y

图2

0 A5 |# a- _+ O3 n1 @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。
0 s7 Z% D6 B8 ~/ H- g) b

/ W' V% r4 M4 z! P  S2 D图3
6 ]" M- P  v; V- S2 n* s
& e; A! Y5 w/ U, Z+ i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。

4 f( p3 `% [  J7 J* S# tRC滤波：可以酌情调节，目的是防止输出过冲等信号失真问题
+ N$ B( Y5 D4 @) @1 c. _3 L* ~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。
9 o6 c% I" p. ~- f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。

% Y2 Y6 q3 h, H$ `- k图4

2 j7 D2 S) Y" HVin+和Vin-的值是如何计算的？
1 j* W8 I5 {( d& G2 T0 Y9 y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：
" Y" _, `' m* u
( Z  ?3 b7 y; i$ l/ X

4 u9 D( @/ o2 k. L9 J
那么通过分压关系得到Vin+：

, N; H2 T" A$ n( g6 }0 f9 w再次通过分压关系得到Vin-：

" u, q. l% b3 D7 U* d. p/ H. x

) B% j! ^5 p5 `# y

& [% @6 V9 F6 ]5 z; {那么就得到Vin+减Vin-的值。

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：

9 S% L  t0 G5 i7 V$ R图5
4 \1 Y# I6 w$ Q5 T# f# `  m
2 U" ]: A* _4 U, O

+ ?* [- a& ?: w$ L1 Y% s图6

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：

" Y) ~  w2 o$ N) W* Z2 A

. z; Q- K- }' y7 Q! _: X
$ F6 h2 w9 J# {" s0 p/ b, Z得到差分电压输入值是0.84V。

6 G! f! u( v8 R0 n$ k4 R! ~$ p差分放大电路的计算
6 ]+ o* U/ b. z# `6 h
) v  E! d5 d( u

图7

& g+ p  v& h! b2 M, d9 \, |% U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：

2 o3 Z* R/ E( v" k

4 L; X+ F, k  b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"
9 z5 ^# F+ M$ e6 ?9 j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。
- T3 T8 p) a) s0 q0 n+ Q1 G
( D8 M  \- }2 V* g$ U' p- a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？

" e3 j: F6 |* k: T6 ?8 V# E1 M5 T/ B图8
. Z0 }0 `0 O* B
通过叠加定理最终得到：
- |' T- k1 F+ S( `% t
$ k$ l; ?% v. |: c

! j6 Y% Q9 i' t3 W1 u8 J4 p
8 j+ `. o' J1 H1 J5 |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：
( ?8 M! O, H3 X& X" N5 H5 U! U2 V
9 o# L  q' W( X6 j  z3 W

$ G% R  q8 l. V, U, r
: p/ H( \3 R: 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。
0 x: p. z$ I' j' e) l

/ s/ [: A. c. t+ ?图9
& I. N6 @. @. b( i( ?
& x! c6 n! n+ ~1 t4 h比如，图9电路，输入电压变为-100V，那么最终输出电压就为：
; m/ Y, Q, d+ Z' b5 c8 ]# G

4 z( }1 V, m5 h2 _6 z: r. [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。
' ~+ X# K6 c, \- `2 k

wushy

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。