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式(1)～式(7) 中所有加减运算均为矢量相加减， 式(7)表明该差分放大电路的差分放大倍数A 由电阻R3、R4、R5 确定。


该差分放大电路中的滤波器采用了典型差分滤波器的形式， 由差模滤波器和共模滤波器组成， 主要作用是滤除传感器输出信号高频噪声以及RFI 噪声。假设传感器差模输出阻抗为Rd, 共模输出阻抗为Rc，C1 与C2的串联等效电容为CS12, 则差模滤波器的截止频率fd由Rd、R1、R2、CS12和C3 确定， 共模滤波器的截止频率fc由Rc、R1、R2、C1、C2 确定。



由于传感器信号传输线较长， 其寄生电感与放大器输入电容容易组成LC 谐振电路, 产生过冲和振荡， 为此， 在信号线上串联小电阻R1、R2 作为补偿电阻， 以减小或消除振荡。图1 中， 电容C4、C5 分别与电阻R3、R5 组成一阶低通滤波器， 抑制放大器噪声； 电阻R6、R7对运放进行环内补偿， 增加运放带容性负载的能力；BAT54S 作为保护器件加在放大器输入端, 防止静电放电以及输入电压超出运放最大输入电压范围而损坏运算放大器。

1.2 交流耦合差分放大电路

交流耦合差分放大电路如图2 所示。电容C9、C10、C11 的值远小于电容C7、C8 的值， 因此， 电容C9、C10、C11 对图2 中高通滤波器的影响可以忽略， 从而可得共模高通滤波器的截止频率fHPc。


假设电容C7 与C8 的串联等效电容为CS78， 则差模高通滤波器的截止fHPd频率为:


电阻R10、R11 为运放提供偏置电压并为运放偏置电流提供流通路径。

2 差分放大电路仿真

在完成电路设计后， 采用Multisim 仿真软件对电路进行仿真， 以检验电路结构是否合理、器件选择是否恰当、滤波器截止频率设计是否正确等。仿真电路原理图如图3 所示。表1 所示为虚拟信号发生器XFG1 参数设置， 表2 所示为虚拟示波器XSC1 各通道交流信号测量结果以及XBP1 波特图仿真结果。

表2 XSC1 和XBP1 仿真结果。

XFG1 参数设置

表2 XSC1 和XBP1 仿真结果。

XSC1 和XBP1 仿真结果

假设图3 中3、4、9 处的交流信号峰峰值电压分别为V3、V4、V9， 则由式(5) 可得：


由表2 结果和式(12) 可知， 差分比例放大部分的设计是正确的。由图3、式(9) 和表2 结果可知， 共模滤波器的设计是正确的。

仿真电路原理图

假设一阶RC 低通滤波器通带电压增益为A0， 则其幅频响应可以用式(13) 表示。


式中，ω 为信号角频率，ωc为差分滤波器截止角频率。表3 所示为不同频率信号的仿真结果。由图3、式(8) 、式(13) 和表3 结果可知， 差模滤波器的设计是正确的。

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关键词： 典型 差分放大 测试 电路设计