差分信号经运放后转为单端输出供单片机采集原理图

本文深入解析了运放电路的“虚断”、“虚短”概念,通过具体实例推导输出电压公式,并对比仿真结果验证理论计算的准确性。

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原理图如图1所示
图1
在当R9=R10,R8=R7的情况下输出电压:
VO=(VIN1−VIN2)∗R9/R8+VrefV_O=(V_{IN1}-V_{IN2})*R_9/R_8+V_{ref}VO=(VIN1VIN2)R9/R8+Vref
电路分析
.step1:需要理解的是运放的“虚断” 、“虚短”的概念,如果这个不熟悉还得去翻翻《模拟电子技术基础》。楼主觉得其实这个也没什么好难理解的,你只要明白当运放经过一定时间达到稳定状态,那么同相输入端电压和反相输入端电位一定是相等的,即:V1=V2,这就是“虚短”的概念,又因为运放的输入阻抗非常大,所以流进同相输入端和反相输入端的电流为≈0,这就是“虚断”概念。
step2:
根据“虚断”概念,我们可以分别列出V1和V2端的电压表达式:
V1=(VIN1−Vref)∗R7/(R7+R10)   (1) V_1=(V_{IN1}-V_{ref})*R_7/(R_7+R_10) \space\space\space(1)V1=(VIN1Vref)R7/(R7+R10)   (1)
V2=(VIN2−VO)∗R9/(R8+R9)   (2) V_2=(V_{IN2}-V_{O})*R_9/(R_8+R_9) \space\space\space(2)V2=(VIN2VO)R9/(R8+R9)   (2)
再根据“虚短概念” 即:V1=V2   (3)V_1 = V_2 \space\space\space(3)V1=V2   (3)
将上面两式代入并带入已知条件R9=R10,R8=R7得:
VO=(VIN1−VIN2)∗R9/R8+Vref   (4)V_O=(V_{IN1}-V_{IN2})*R_9/R_8+V_{ref} \space\space\space(4)VO=(VIN1VIN2)R9/R8+Vref   (4)
仿真分析
仿真结果如图2所示。
图2根据上文推导图2的输入输出关系应该为:
Vo=VI∗R4/R5+VrefV_o=V_I*R_4/R_5+V_{ref}Vo=VIR4/R5+Vref
其中Vi=0.2VV_i=0.2VVi=0.2V
R4/R5=2 R_4/R_5=2R4/R5=2
Vref=6.00V_{ref}=6.00Vref=6.00
将条件带入式(4)中得到输出电压VoV_oVo应该为6.40V;
可以看到仿真结果为6.41V与理论推导十分接近。.

<think>好的,我现在需要帮助用户解决关于差分单端放大器的使用方法和电路设计的问题。首先,我得回忆一下相关的知识,确保自己理解正确。差分单端电路的主要作用是将差分信号换为单端信号,这在很多电子系统中都是必要的,比如当ADC需要单端输入时,或者与单端输入的设备连接时。 用户提到了几个引用,我需要结合这些引用来构建答案。引用1提到差分输入单端输出放大器的设计指导,引用2和3解释了差分放大电路的结构和工作原理,引用4则涉及使用放大器和FDA进行单端差分换,但用户的问题相反,是要差分单端,所以可能需要逆向思考或者不同的配置。 首先,我应该解释差分单端的基本原理,可能涉及放大器的基本电路结构,比如差分放大器配置。根据引用3,差分放大放大的是两个输入的电压差,所以如果将一个输入接地,另一个接差分信号的正,可能可以实现部分换,但可能不够理想。或者,使用仪表放大器可能更合适,因为它有高输入阻抗和良好的共模抑制比。 接下来,电路设计部分需要考虑如何选择合适的运放,电阻匹配,以及如何配置电路。根据引用4,电阻的精度和温度系数会影响性能,因此需要选用高精度的电阻,比如0.1%的薄膜电阻。此外,电源电压和共模电压范围也需要考虑,确保运放在工作范围内。 然后,可能需要给出一个典型的电路图,比如使用运放构成的差分放大器,或者使用两个运放组成的电路。例如,经典的三运放仪表放大器结构,但可能对于差分单端来说,可能更简的结构就足够。例如,使用一个运放,配置成减法器电路,这样差分输入信号被换为单端输出。 另外,需要注意共模抑制比(CMRR),这是差分放大器的重要指标,高CMRR可以抑制共模噪声。引用2提到当两个输入电压有差别时,输出才有变化,这说明设计时需要确保良好的匹配,以保持高CMRR。 用户可能还需要知道如何计算增益,设置电阻值,以及如何处理输入阻抗的问题。例如,在减法器电路中,增益由反馈电阻和输入电阻的比例决定,同时输入阻抗可能较低,可以通过添加缓冲级来改善。 还需要考虑实际应用中的问题,比如噪声抑制、电源去耦、布局布线等,这些可能影响电路性能。引用4提到使用COG电容减少失真,这可能在滤波部分需要应用。 最后,生成相关问题时要覆盖用户可能进一步想知道的内容,比如如何提高CMRR,如何选择运放,如何处理高频信号,或者实际应用中的案例。 现在需要将这些思路组织成结构清晰的回答,分步骤解释原理、设计要点、电路示例以及注意事项,并确保符合用户的要求,使用正确的中文和LaTeX格式,引用相关的引用资料。</think>### 差分单端放大器使用方法及电路设计 #### 1. **基本原理** 差分单端放大器的核心功能是将一对差分信号(如$V_{in+}$和$V_{in-}$)换为单端输出信号$V_{out}$,同时抑制共模噪声。其核心公式为: $$ V_{out} = A_d \cdot (V_{in+} - V_{in-}) $$ 其中,$A_d$为差分增益,需通过外部电阻网络设定[^3]。 #### 2. **典型电路设计** **方案1:减法器电路运放)** - **电路结构**: - 差分信号分别接入运放的同相和反相。 - 电阻$R_1$、$R_2$、$R_3$、$R_4$需严格匹配(例如$R_1=R_3$,$R_2=R_4$)。 - 差分增益为$A_d = \frac{R_2}{R_1}$,输出公式为: $$ V_{out} = \frac{R_2}{R_1} \cdot (V_{in+} - V_{in-}) $$ - 参考电路图类似引用[2]中的图1结构[^2]。 **方案2:仪表放大器(三运放)** - **优势**:更高输入阻抗和共模抑制比(CMRR)。 - **结构**: - 前两级为同相放大器,第三级为减法器。 - 增益由$R_g$调节: $$ A_d = 1 + \frac{2R_1}{R_g} $$ - 适用于高精度传感器信号处理[^1]。 #### 3. **设计要点** - **电阻匹配**:使用0.1%精度、低温漂电阻(如20ppm/°C),以减少增益误差[^4]。 - **共模电压范围**:需确保运放的输入共模电压在电源范围内(如OPA320支持负电压轨输入)。 - **噪声抑制**: - 在输入添加RC低通滤波,选用COG/NPO电容减少失真。 - 点接地和电源去耦优化抗干扰能力。 #### 4. **示例电路(减法器)** ```plaintext R2 Vin+ ──┬───┬───┬───┐ │ │ │ │ R1 │ R1 │ │ │ │ │ └─┬─┘ └─┬─┘ │ │ ├─○───┐ │ │ ┌┴┐ │ │ │OPAMP └┬┘ │ │ │ └───┬─┘ R2 │ Vout ────────┘ ``` #### 5. **注意事项** - **CMRR优化**:电阻失配会显著降低CMRR,需确保$R_1/R_2$比值一致。 - **带宽限制**:高频信号需选择高速运放(如THS4551),避免增益带宽积不足[^4]。 - **输出驱动能力**:若后接ADC,需确认运放输出阻抗和ADC输入阻抗匹配[^4]。
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