常规放大电路和差分放大电路

常规放大电路和差分放大电路

0、小叙闲言

有一个两相四线的步进电机,需测量其A、B两相的电流大小,电机线圈的电阻为0.6Ω,电感为2.2mH。打算在A、B相各串接一个0.1Ω的采样电阻,然后通过放大电路,送到单片机采样(STM32,12位AD采样),放大的电压值是最大应为3v。电路如下。我在这里讨论其中的采样放大电路。很多东西平时在书本上学到烂熟,但真正在实战时,还是碰到了不少问题。纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。因此,在这里总结一下,供自己学习之用,或许也可给大家一点点帮助。

《常规放大电路和差分放大电路》

图1 步进电机系统结构图

1、常规放大电路

这里暂时不讨论放大电路的工作原理,直接使用放大器的虚短(短路)和虚断(断路)性质来分析这一类电路,之所以在前面加个虚字,是因为放大器的两端并不是真正的短路或断路。如下图所示,虚短:UP=UN,虚断:IP=0; IN=0。无论放大器接在何种电路中,这两个式子都是成立的。

《常规放大电路和差分放大电路》

图2 放大器性质

1.1、电压跟随器

电压跟随,听名字应该就能想到,它的作用就是输出电压Uo应该是随着输入电压Ui变化而变化的(Uo=Ui),如下图所示,由上面讲到的虚短性质,很容易得到Ui=Up=Un=Uo。有人会疑问,直接把Ui接到Uo,岂不是更加方便,要这个做什么。这个就要看电路需求而定了。电压跟随器的作用一般是起到隔离的作用,输入的电流太大的话,也不影响到输出的电流。《常规放大电路和差分放大电路》

图3 电压跟随器电路图

1.2、电压放大电路

说了这么多,也没有看到放大器起到放大的作用,那么它是如下做到放大的电压作用的呢,且看下面这个电路。

《常规放大电路和差分放大电路》

图4 电压放大电路

从图4可以看到电路将输入电压放大了-3倍,这个负号来源,在图4中的公式推导已经说得很明白了。充分利用虚短和虚断的性质,加上外接电路,可以实现放大电压的功能(当然也可以缩小电压)。这个电路有一个小小的问题,就是它放大电压后有一个负号,平时我们要的都是输出电压与输入电压同符号,那么如何做到输出电压与同向呢,其实也很容易,且看下面电路图5。它的放大倍数也很好计算,元器件没有比上面多。但是这里又引是入一个新的问题,从下图4的公式推导中,可以明显看到,Uo/Ui>1,那么在我们需要将电压值缩小的场合,这个电路将不再适用。

《常规放大电路和差分放大电路》

图5 电压同向放大电路

那么如何做到同向的任一放大倍数的电路呢,也并不难,又请看下方图6电路。电路中多了两个电阻,成本并不会增加多少。由图6中推导的公式,如果R1+R2=R3+R4,那么放大倍数Uo/Ui=R4/R1,这个电阻阻值大小是完全可以做到任意选择的。在实际电路的设计过程中,通常令R1=R3,R2=R4,这样可以使R1+R2=R3+R4成立,同时也能够很清晰地记住这个电路的放大倍数即为:Uo/Ui=R2/R1。

《常规放大电路和差分放大电路》

图6 电压同向任一放大倍数电路

2、差分放大电路

上面讲到的所有放大电路都有一个明显的特点,就是它们只是放大某一个电势点,另一个电势点是默认接地的。而有时我们需要放大电压的两端电势没有一个接地的,那么这个时候,上述所有放大电路将不再适用。我文章一开头提到的采样步进电机电流,就是这种情况,这个时候就是差分放大电路登场的时间了。

《常规放大电路和差分放大电路》

图7 差分放大电路

在使用差分放大电路时,有一点需要特别地注意,不仅|k*(U1-U2)|<15(最好是小于13V左右,取得比较好的效果),而且Un与Up应该也要小于15v,否则放大不会工作在线性区,导致电路非正常工作。

心得总结

关于放大电路的更加深刻的工作原理,比如虚短虚断的性质是如何来的,还没有去更加深入的研究(虽然在本科期间学习过,但现在还是忘了),另外当图4中的放大器负输入端接地,而正输入端接输入电压,无法得到想要的放大效果,也就是放大器的正负输入端倒底有何区别,还没有很明白,是后要学习的内容。

    原文作者:Alliswall1
    原文地址: https://blog.csdn.net/Alliswall1/article/details/81113615
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