常规放大电路和差分放大电路

本文探讨了步进电机A、B两相电流的采样与放大方法,介绍常规放大电路如电压跟随器、电压放大电路及差分放大电路等不同类型的电路原理与应用,特别关注于采样电阻的设置与信号放大处理。

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

<think>嗯,用户想了解电荷放大器差分放大电路的设计原理或实现方法。首先,我需要回忆一下电荷放大器的基本工作原理。根据引用3,电荷放大器主要用于处理压电传感器的输出,将电荷转换为电压信号。电荷放大器的核心应该是一个运算放大器构成的电路,利用电容反馈来积分电荷。可能需要考虑输入阻抗、反馈电容的选择以及噪声抑制的问题。 然后是差分放大电路。差分放大通常用于抑制共模噪声,放大差模信号。常见的设计是使用运算放大器配合电阻网络,比如经典的仪表放大器结构。需要关注共模抑制比(CMRR)、电阻匹配以及增益计算。引用2提到JFET放大器,虽然差分放大不完全相同,但场效应管的高输入阻抗特性可能在某些差分电路中有应用。 用户可能还关心两者的区别应用场景。电荷放大器主要用于高阻抗信号源,比如压电传感器,而差分放大电路则用于消除共模干扰,比如在传感器信号传输中。设计时需要注意不同的关键参数,比如电荷放大器的反馈电容低频响应,差分电路的电阻匹配CMRR。 可能需要具体电路图来解释两者的结构差异。电荷放大器通常有一个反馈电容,而差分放大电路有四个电阻形成差分输入。还要注意实际设计中的问题,比如电荷放大器的漏电阻防止饱,差分电路的电阻精度影响CMRR。 此外,用户提到的引用1中比较了电压放大器电荷放大器,指出不能随意替代使用。这可能提示需要解释电荷放大器常规电压放大器的不同,比如电荷放大器处理的是电荷信号,而电压放大器处理的是电压信号,输入阻抗要求不同。 最后,需要确保回答结构清晰,分点解释电荷放大器差分放大电路的设计原理、实现方式,并比较它们的区别应用场景。可能还需要生成相关问题,帮助用户进一步学习。</think>### 电荷放大器与差分放大电路的设计原理及实现方式 #### 一、电荷放大器设计原理 1. **核心功能** 电荷放大器专用于处理高阻抗传感器(如压电加速度计)的电荷信号,通过积分运算将电荷转换为电压输出。其核心公式为: $$ V_{out} = -\frac{Q}{C_f} $$ 其中$Q$为传感器产生的电荷量,$C_f$为反馈电容[^3]。 2. **电路结构** - 使用运算放大器构建反向比例积分电路 - 反馈回路包含并联的电容$C_f$电阻$R_f$(防止直流漂移) - 典型电路结构: ``` ┌───────┐ Q_in ────►┤- │ │ OPAMP ├───► V_out GND ──────┤+ │ └───┬───┘ ─── C_f ``` 3. **关键设计参数** - **灵敏度选择**:通过调整$C_f$值(通常1pF~1μF)控制增益 - **低频截止频率**:$f_{low}=1/(2πR_fC_f)$,需根据信号频率选择$R_f$ - **输入阻抗**:需达到$10^{12}Ω$级别以匹配压电传感器特性[^3] #### 二、差分放大电路设计原理 1. **核心功能** 差分放大电路用于提取并放大差模信号,抑制共模干扰,其输出公式为: $$ V_{out} = \frac{R_2}{R_1}(V_2 - V_1) $$ 当$R_1=R_3$, $R_2=R_4$时达到最佳共模抑制比(CMRR)。 2. **典型架构** - 基本三运放仪表放大器结构: ``` V1 ──┬───R1───┬─── R3 ────┐ │ │ │ ├───R2───┼─── OPAMP3 ──► Vout │ │ │ V2 ──┼───R1───┼─── R4 ────┘ │ │ OPAMP1 OPAMP2 ``` 3. **设计要点** - **电阻匹配**:要求电阻公差≤0.1%以保障CMRR>80dB - **增益分配**:第一级差分增益建议≤100,总增益≤1000 - **共模范围**:需满足$V_{CM} < V_{supply}-(V_{diff}·Gain)/2$ #### 三、实现方式对比 | 特性 | 电荷放大器 | 差分放大电路 | |-----------------|------------------------------|------------------------------| | **输入信号类型** | 电荷信号 | 电压信号 | | **核心元件** | 高阻抗运放+反馈电容 | 精密匹配电阻网络 | | **关键参数** | 电荷灵敏度(pC/V) | 共模抑制比(CMRR) | | **典型应用** | 压电传感器接口[^3] | 传感器桥路信号处理 | | **带宽控制** | 通过RC时间常数设定低频截止 | 通过滤波网络限定频带 | #### 四、设计实例 1. **电荷放大器实现** ```python # 反馈电容计算示例 def calc_feedback_cap(q_sensitivity, desired_gain): """ q_sensitivity: 传感器电荷灵敏度(pC/unit) desired_gain: 期望输出电压灵敏度(mV/unit) """ return q_sensitivity * 1e-12 / (desired_gain * 1e-3) # 返回C_f(单位: F) ``` 2. **差分电路电阻计算** $$ R_2 = \frac{V_{out}}{V_{diff}} × R_1 $$ 建议使用激光修调电阻或数字电位器实现精确比例控制。
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