一. 來自傳感器的信號(hào)往往很微弱，需要運(yùn)放進(jìn)行放大，以便后續(xù)的數(shù)字化處理。圖一為基本差分放大電路，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的電路，當(dāng)電阻值滿足：Rf/R1=R3/R2=K時(shí),

Uo=K(Ui2-Ui1) ,K為差動(dòng)放大倍數(shù)，圖一的K=10 ;

由于有同相端的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和反相端的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的存在，使得該電路的輸入電阻不夠大，如信號(hào)源的內(nèi)阻比較大或是變化的，將會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生較大的誤差，換而言之，這種差分電路只能配低內(nèi)阻信號(hào)源；同時(shí)該電路要求Rf/R1精確等于R3/R2，否則差分輸入和輸出之間將不是正比例線性函數(shù)關(guān)系，會(huì)同時(shí)放大共模信號(hào)，共模抑制比就會(huì)急劇下降，換句話說，該電路所用的電阻必須是低溫漂的高精度電阻。

圖一 基本差分放大器

為解決圖一電路無法處理高內(nèi)阻傳感器信號(hào)的問題，可在差放電路的兩個(gè)輸入端各加一個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行緩沖隔離，如圖二所示。電壓跟隨器輸入電阻極高，可認(rèn)為斷路，不取用傳感器電流，不影響傳感器信號(hào)的大小；跟隨器的輸出此時(shí)是差放電路的信號(hào)源，其輸出電阻很低，可忽略其存在，就能滿足該電路對(duì)低內(nèi)阻信號(hào)源的要求。

圖二 帶緩沖器的基本差分放大電路

圖一所示的基本差分放大電路，其外接的四個(gè)電阻需要嚴(yán)格挑選，精確度要求很高，不易滿足。一般選用將四個(gè)電阻集成在芯片內(nèi)部的差分放大器。光刻芯片時(shí)，利用激光微調(diào)技術(shù)，可將四個(gè)電阻校準(zhǔn)到極高的精度。INA143就是集成的基本差分放大器芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及示例如圖三所示。

圖三 集成差分放大器構(gòu)成的電路

二. 圖四是同相比例電路，平衡電阻R2=R1//Rf ,由I+ =0,知Up=Ui ;在深度負(fù)反饋條件下，Un=Up=Ui，即輸入電位轉(zhuǎn)移到了N點(diǎn)，使得Un=Ui ；易推導(dǎo)出Uo=(1+Rf/R1)Ui ,當(dāng)斷開R1(即R1=無窮大)時(shí)，Uo=Ui，輸出跟隨輸入，得到圖五所示的電壓跟隨器電路?，F(xiàn)根據(jù)前面提及的電路，說明圖六所示三運(yùn)放構(gòu)成的差分放大電路。

圖四 同相比例放大電路

圖五 電壓跟隨器

圖六 三運(yùn)放差分放大電路

圖六所示的三運(yùn)放差分放大電路由兩級(jí)差動(dòng)放大電路組成，A1、A2構(gòu)成第一級(jí)差放電路，是兩個(gè)同相比例電路的組合。由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，使輸入電阻大大增加，可視為斷路，又使輸出電阻大大減小，可視為零，為第二級(jí)基本差放電路創(chuàng)造了優(yōu)良的工作條件；A3構(gòu)成了第二級(jí)差放電路。

根據(jù)前述同相比例電路的特點(diǎn)，Ui2轉(zhuǎn)移到了A點(diǎn)，即UA=Ui2 ;Ui1轉(zhuǎn)移到了B點(diǎn)，即UB=Ui1,故流過R2的電流為：i=(Ui2-Ui1)/R2 ;又因iA=iB=0 ,R1、R2、R1中流過相同的電流i，所以對(duì)于差模信號(hào)而言：

Uo2-Uo1=(1+2R1/R2)(Ui2-Ui1) ,

Uo=Rf/R(Uo2-Uo1) ;

對(duì)于共模成分電壓而言：

Ui2=Ui1=Uic(共模電壓)，此時(shí)i=0，Uo2=Uo1=Uic ，即共模電壓沒有被放大，而是直接轉(zhuǎn)移到了第一級(jí)輸出端，這就降低了對(duì)第二級(jí)運(yùn)放A3的共模抑制比要求。

若A1、A2選用相同特性的運(yùn)放，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓都相等，再通過第二級(jí)差分電路，就可以相互抵消。電阻R1、R2、Rf和R應(yīng)使用低溫漂精密電阻。

這種三運(yùn)放構(gòu)成的差分放大電路，已有多種型號(hào)的集成芯片，如INA102、INA848,一般稱之為儀表放大器，用它們對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理，更加簡潔、精準(zhǔn)、方便，當(dāng)產(chǎn)品對(duì)成本無苛刻要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用。

審核編輯：湯梓紅