差分放大器的基本了解

No.1基本了解

什么是差分放大器?為什么要使用差分放大器呢?

在工業系統中，許多傳感器采用差分輸出的方式來獲得更好的噪聲免疫力。在這些傳感器的輸出中包含了共模信號和差模信號：

如上圖，我們定義共模信號為放大器的同相和反相輸入端含有的相同信號，這里的共模信號(Common Mode?Voltage)VCM=5V;我們定義差模信號為放大器的同相和反相輸入端含有的不同信號，這里的差模信號(Differential Mode?Voltage)VDM=3V。對于絕大多數系統而言，共模信號是不含有信息的，引入它的主要目的就是為了提高信號的抗噪能力，比如差分信號在傳輸過程中耦合的噪聲都以共模信號的形式出現，在接收端信號相減后即可消除;而差模信號則是真正含有信息的信號，我們在PLC系統的接收端需要做的就是抑制共模信號，提取和放大差模信號給?ADC 采集所用。最為典型的幾種差分輸出的傳感器就是電阻電橋、RTD測溫電阻和電流并聯檢測器。

No.2差分放大器

電阻電橋可以用電流源驅動，也可以用電壓源驅動，其工作實質是由于外力作用，導致電橋臂上的一個或幾個電阻阻值發生變化，從而破壞電橋的平衡，輸出差模信號。通過調理和轉換差模的信號的大小，即可以獲得電阻變化的信息，從而再換算出外力的大小。如下面這個壓力測試儀，上下兩個應變片在外力作用下彎曲：一個被拉長，值以+ε的比例變大;一個被壓短，阻值以-ε的比例變小。

未受外力作用時，電橋平衡(左);受到外力時阻值改變，電橋不再平衡(右)這里我們用最簡單的單電阻變化的電橋為例，說明信號調理過程中的挑戰:

壓力引起的電橋臂上應變片的形變實際上是非常的小，一個壓力傳感器的滿量程差分輸出通常都在20mV以下，而共模電壓則通常在2.5V以上。如果直接對信號放大，共模信號會引起電路飽和。因此，首先我們需要進行共模抑制，提取出差模信號。如上圖，共模信號為2.5V，差模信號為6.3mV，我們只需將V+減去V-即可，自然而然的，我們想到了運放的一個基本電路，減法器：

所以，我們可以用運算放大器和外部電阻網絡自己搭建一個差動放大器，但是這樣的話，電路的共模抑制比(CMRR，定義為差模的信號的放大倍數比上共模信號的放大倍數)是被外部電阻網絡所限制。假如R1，R2，R3，R4中僅有一只電阻有0.1%的誤差，導入上面的公式可以得到CMRR將下降到66dB;若誤差為1%，CMRR將下降到46dB。那么，我們在通用電子市場上里通常能買到的最精密的電阻為多少誤差呢?1%，而我們在學校里經常抓來使用的電阻常常只有5%的甚至更差的精度，這將使我們的共模抑制比更加“慘不忍睹”。上面的例子里，VCM=2.5V，若VDM=20mV，60dB的CMRR將使VCM=2.5V減小到1/1000，此時VCM仍將有2.5mV，這相當于有用差模信號的10%，對我們的測量結果有相當大的影響，因此我們需要更高的CMRR。

No.3儀表放大器

然而，差動放大器也有其天生的弱點：由于電阻網絡內置，使得其輸入阻抗大大降低。當輸入阻抗較小如十幾千歐姆時，這對高源阻抗的應用相當不利，因為過低的運放輸入阻抗會稱為信號源的負載，而且源阻抗的不匹配會造成差動放大器的電阻網絡不再精密匹配，從而導致CMRR降低。此時我們需要增加差動放大器的輸入阻抗，于是我們在差動放大器的前面加入兩個輸入緩沖器作為第一級，并在第一級的外部通過RG提供差分信號的增益(保持共模信號不變)，在第二級(即差動放大器)提供第二次差分信號的增益，并抑制共模信號。這樣差分信號可以被兩級放大，因此儀表放大器的放大倍數可以相當大。同時，共模電壓被抑制，由CMRR的定義，可以知道儀表放大器的CMRR可以比差動放大器更高，通?？梢暂p易超過100dB，甚至達到120dB。如下圖，是對這種經典的三運放儀表放大器的推導(差動放大器為單位增益)：

除了三運放的儀表放大器，還有一種簡化的兩運放儀表放大器，它也能完成共模信號的抑制，并在直流處擁有和三運放儀表放大器相近的性能，當然，省略一個運放使得它擁有更低的成本，它每一級間的推導結果如下圖所示：

兩運放儀表放大器雖然價格低廉，并在直流處擁有同樣優良的共模抑制比，但是由于輸入引腳的信號路徑不平衡(一個輸入直接進入A2，一個經過A1后才進入A2)，導致在頻率稍高時CMRR急劇惡化。而三運放的儀表放大器可以提供最好的輸入信號平衡，從而在頻率稍高時(幾百到數kHz)也能達到極佳的CMRR，如下圖所示：

與差動放大器一樣，儀表放大器也有其顯著的優缺點，優點在于其輸入阻抗非常高，共模抑制比非常好，適合用在信號源阻抗較高的需要抑制共模信號的場合，比如惠斯通橋，人體信號處理(在醫療信號處理中的模擬信號前端調理中，總是可以看到非常多的儀表放大器)。

No.4電流檢測放大器

電流并聯檢測，就是通過測量置于電流路徑上的電阻上的壓降來監視電流的電路(盡管存在著其它技術，例如磁相關技術，但這里的討論僅限于并聯電阻電流測量)。并聯電阻測量電流的方法主要有兩種，高側和低側。低側測量方法直接簡單,它通過在A點處測量電流經過置于負載和地之間的電阻時所產生的壓降來檢測電流，如下圖：

低側電流測量的特點就是直接簡便，只需一個運算放大器便可完成測量，且非常準確：

但其在接地路徑上加入了阻值，這非常不利，因為流入地平面的電流將在感應電阻上產生電壓，這個電壓將以地平面噪聲的形式出現在系統的所有地節點上。由于數字電路在0，1間切換，導致電流將是動態的，這將在地平面上形成高頻噪聲，影響模擬部分的精度甚至引起數字部分的誤動作。所以若能接受地平面的噪聲，低側電流測量是最簡單最好的方法。若不能接受，我們可以選擇高側電流測量。高側電流測量技術通過測量A點和 B 點間電流經過置于電源和負載間的電阻時所產生的壓降來測量電流，如下圖：

高側電流檢測器的優勢和低側相比非常明顯，它直接連接至電源，并且可以檢測所有的下行故障以及觸發適當的更正措施，并且不會產生額外的接地干擾。 但它對信號調理提出了更高的要求，因為一般我們選擇10m歐以下的電阻做為感應電阻，這樣在感應電阻上不會產生大的壓降，從而減少對后端系統的影響同時減少無用功率消耗，當這樣的話，在AB間會有一個mV級的差模電壓，同時在AB點處存在等于VCC的共模電壓。 所以我們需要非常好的共模抑制比和能接受非常高且經常變動的共模電壓(經常超出放大器所使用的電源軌的限制)。 備選的有差動放大器和電流檢測放大器，差動放大器通過衰減輸入信號并相減來實現高共模信號的抑制，而電流檢測放大器通過高耐壓的晶體管輸入級和電阻將電壓轉化為電流，進行電流的相減，再通過第二級放大并轉化為電壓信號(或不轉化)再輸出。 因此電流檢測放大器通常還擁有較大的帶寬和響應速度，兩者的優劣列表簡述如下：