【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第23课时_差分和仪表放大器

电赛小编

关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容，视频解析文字课40节，每周二、周四更新，欢迎同学观看学习。

>>>>>>>>>>查看全部课程安排<<<<<<<<<<

本节文字课程相关视频：
1. 差分放大器
2. 仪表放大器

单独只有运放是无法实现放大功能的，放大电路还需要外接电阻、电容或者其他元件。如果将这些外部元件和运放集成在一起，可以简化应用或提高性能，这就构成了一些特殊的放大器。本节将介绍几类特殊放大器。

1 差分放大器
差分放大器无需外部电阻可以直接构成减法电路，将两个信号的差值放大特定倍数。之前我们介绍了由运放搭配电阻构成的减法电路。如图1所示的电路中：
1) 根据虚短原则和叠加原理，输入输出电压关系为：
（1）
2) 当关系式R₁×R₃=R₂×R_F精确成立时，输出电压的关系式可简化为式2，输出电压为1V。
（2）

图1 减法电路

3) 电阻是有精度的，R₁×R₃=R₂×R_F其实很难精确成立。假设其他电阻值均为完全精确，只有电阻R₁的精度为5%，则可以通过直流传输特性仿真来观察现象。
4) 图2为将电阻R₁设定为950Ω至1050Ω时的直流特性仿真图，输出电压不再恒定为1V，差不多在800mV至1.2V之间。

图2 减法运算电路的直流传输特性仿真

5) 如图3所示，改变输入信号的共模电压（从5.005V改为约为2.005V），保持差模输入信号仍为0.01V，直流传输特性仿真图发生了变化，这回输出电压范围差不多是950mV至1.05V之间。                                      图3 改变共模输入电压时的直流传输特性仿真

6) 图2和图3的对比，表明“减法”电路不仅放大了差模信号，而且放大了共模信号。而我们仿真所用的可是理想运放，即运放本身的CMRR是∞的。对式1的整理可以得到式3，即通常情况下（不满足R₁×R₃=R₂×R_F），输出信号与输入信号的差值不是成正比的。
（3）
7) 图1所示的由理想运放构成的减法电路中，任何一只电阻有 0.1％的误差，减法电路总CMRR将下降到66dB，若电阻误差为1%，总CMRR将下降到46dB。
差分放大器将减法电路的4只电阻集成到运放内部，利用激光微调等技术将阻值教调到极高精度。
1) 如图4所示为差分放大器INA143的原理图。INA143内部集成了4个电阻，构成10倍放大选项。
2) 由于电阻结构是对称的，所以可以接成10倍差分放大，也可以接成0.1倍差分放大。当然，我们不能再外接电阻接成其他放大倍数，否则就成红酒加雪碧的效果了。

图4 差分放大器的两种接法

特别注意的是差分放大器的输入信号必须是低内阻信号，因为信号源内阻与差分放大器内部集成的电阻的地位是完全平等的。图5所示的仿真很容易理解高内阻信号对差分电路的影响。
1) R₁虽然是精确的，但是输入信号的内阻R₅的地位与R₁没有任何区别，等效为R₁的精度误差。

图5 信号源内阻对差分放大电路的影响

2) 图6所示的仿真图体现了内阻的影响，如果信号源内阻达到了1kΩ，那么差不多能影响8%的输出电压，如果信号源内阻为10Ω，则影响小于1‰输出电压。
                                                图6 信号不同内阻对差分电路的影响

2 仪表放大器
前面说了，差分放大器无法处理高内阻信号，而且放大倍数也受限制。
1) 对差分放大器无法处理高内阻信号的改进基本思路就是将输入端用缓冲器加以隔离，如图7所示。

图7 带输入缓冲器的差分放大电路

2) 对图7进行仿真，信号源内阻R₅的值从0Ω变化到10kΩ，观察直流传输特性，波形如图8所示。结果表明，缓冲器完美的解决了输入输出阻抗问题，在电路中起到“有病治病，无病强身”的效果。

图8 带输入缓冲器的差分放大器直流传输特性仿真

对于差分放大器电压放大倍数的解决思路也可以依靠缓冲器。
1) 如果将放大功能放在缓冲器环节（同相比例运算电路），则图7可改写为图9所示电路。添加R₆、R₇、R₈、R₉用于改变放大倍数。电路的放大倍数为：
（4）

图9 改为同相比例运算隔离输入的差分放大电路

2) 进一步的，由于电路对称，R₈和R₉中间的接地可以省略，R₈和R₉合并为一个电阻R_G，就成为传说中的仪表放大电路了。改进后的电路如图10所示。电路的放大倍数为：
    （5）

图10 三运放仪表运算放大电路

3) 式5表明，如果将除R_G以外的电阻全部集成到芯片内部，就可以只改变R_G来调节电路的放大倍数，减法（差分）电路的特性不受影响（内部集成电阻精度极高）。
图11所示为三运放仪表放大器INA128/129的原理图，按照式5推导，可得放大倍数为：
（6）
（7）
注：INA129的放大倍数是为了兼容ADI公司AD620。

图11 INA12x系列仪表放大器

仪表放大器解决了差分放大器输入阻抗不够高，放大倍数不能调两个缺点，但同时也将差分放大器的一个优点给改没了，那就是差分放大器可以输入比运放高的多的信号电压。
1) 如图12所示的电路中，输入差分电压实际是100V和120V，我们几乎很难找到供电电压如此高的运放。所以显然也没有适用的仪表放大器可以胜任。
2) 使用差分放大器可以解决这个问题，实际信号到达差分放大器内部OP1的输入端的时候，电压已经下降到差不多9V。仿真结果验证了结论，输出电压为-2V。
                                                 图12 差分放大器用于高电压检测

欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~

课后问答：
1、        选择题：差分放大器的优点是什么？（  ）
A放大倍数高
B差值放大精确
C可以输入高电压信号
D成本低
2、选择题：差分放大器的缺点是什么？（  ）
A放大倍数低
B放大倍数不可调
C输入信号的内阻必须很低
D外部元件要求精确
3、选择题：仪表放大器优点是什么？（  ）
A放大倍数高
B放大倍数可调
C可以输入高内阻信号
D成本低
3、选择题：仪表放大器的缺点是什么？（  ）
A放大倍数低
B不能输入高电压信号
C外围电路复杂
D外部元件要求精确

参考答案：
1、BC
2、BC
3、BC
4、B

secret

1、        BC
2、        BC
3、        BC
4、        B

bluesky

1、        BC
2、        BC
3、        BC
4、        B

春风十里

1、        BC
2、        BC
3、        BC
4、        B

青春已被氧化

1、   BC
2、   BC
3、   BC
4、   B

电赛菜鸡

1、   BC
2、   BC
3、   BC
4、   B