电路设计实例(常规放大电路和差分放大电路)

本文通过一个步进电机电流检测的例子,探讨了电路设计中的常规放大电路和差分放大电路。介绍了电压跟随器、电压放大电路及其变种,强调了虚短和虚断的概念,并详细解析了差分放大电路在处理非接地电势信号时的重要性。最后,作者分享了对放大电路原理的进一步学习计划。

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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。

 

 


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### 差分放大电路的工作原理 差分放大电路是一种用于放大两个输入信号之间差异的电子电路。其核心功能是对差模信号具有高增益,而对共模信号几乎无响应。以下是关于差分放大电路工作原理的关键点: #### 1. 基本结构 差分放大电路的核心是由一对匹配的晶体管组成,它们共享一个公共发射极电阻或电流源[^2]。这种对称性使得电路能够区分差模信号共模信号。 #### 2. 输入信号分类 - **共模信号**:指两个输入端接收到的信号幅度相位完全相同。对于此类信号,理想情况下,差分放大器不会产生任何输出。 - **差模信号**:指两个输入端接收到的信号幅度相同但相位相反。这类信号会被有效放大并作为输出呈现。 当输入为共模信号时,由于电路的对称性,两侧晶体管的行为一致,因此输出电压 \( U_O \) 将接近零[^2]。 而对于差模信号,一侧晶体管的基极电流增大,另一侧则减少,从而导致输出电压发生变化,并通过放大效应得到增强后的信号。 #### 3. 放大倍数计算 假设在实际设计中采用如下的简化模型: \[ A_d = \frac{R_C}{r_e} \] 其中, - \( R_C \) 是负载电阻; - \( r_e \approx \frac{kT}{qI_E} \),表示动态发射极电阻,\( I_E \) 是发射极总电流[^2]。 为了实现特定的放大倍数,可以通过调整外部电阻来满足需求。例如,在某些设计中引入额外反馈电阻以精确控制增益[^1]。 --- ### 差分放大电路的设计方法 设计差分放大电路需考虑以下几个方面: #### 1. 对称性保障 确保两路输入通道中的元件特性尽可能一致(比如晶体管参数、电阻值等),这是维持良好性能的基础条件之一[^2]。 #### 2. 负载配置选择 可以选择单端输出或者双端输出形式。前者仅利用其中一个节点作为最终输出;后者同时采集两个相对节点上的电压变化量,则理论上可以获得更高的信噪比以及更好的抑制噪声能力[^3]。 #### 3. 实际应用注意事项 考虑到真实环境中可能存在干扰因素影响正常运作效果,所以在具体实施过程中还需要注意以下几点事项: - 使用屏蔽电缆连接各部分硬件单元以防电磁波辐射引起误动作; - 合理布局PCB走线降低寄生电感效应对高频成分造成的损害等问题发生几率; - 如果预计到较长距离传输场景下可能出现衰减现象的话,则提前规划好补偿措施以便恢复原始强度水平再进入后续处理阶段。 ```python import numpy as np def diff_amp_gain(Rc, re): """ Calculate the differential gain of an amplifier. Parameters: Rc (float): Collector resistor value in ohms. re (float): Dynamic emitter resistance in ohms. Returns: float: Differential mode voltage gain. """ Ad = Rc / re return Ad # Example values for calculation example_Rc = 1e3 # Resistance in Ohm example_re = 25 # Typical dynamic resistance at room temp (~25°C) calculated_gain = diff_amp_gain(example_Rc, example_re) print(f"Differential Mode Gain: {calculated_gain:.2f}") ``` 此代码片段展示了如何基于给定参数快速估算典型差动放大部分所能达到的大致数值范围。 --- ###
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