差分放大器的基本了解

No.1基本了解

什么是差分放大器?为什么要使用差分放大器呢?

在工业系统中，许多传感器采用差分输出的方式来获得更好的噪声免疫力。在这些传感器的输出中包含了共模信号和差模信号：

如上图，我们定义共模信号为放大器的同相和反相输入端含有的相同信号，这里的共模信号(Common Mode Voltage)VCM=5V;我们定义差模信号为放大器的同相和反相输入端含有的不同信号，这里的差模信号(Differential Mode Voltage)VDM=3V。对于绝大多数系统而言，共模信号是不含有信息的，引入它的主要目的就是为了提高信号的抗噪能力，比如差分信号在传输过程中耦合的噪声都以共模信号的形式出现，在接收端信号相减后即可消除;而差模信号则是真正含有信息的信号，我们在PLC系统的接收端需要做的就是抑制共模信号，提取和放大差模信号给 ADC 采集所用。最为典型的几种差分输出的传感器就是电阻电桥、RTD测温电阻和电流并联检测器。

No.2差分放大器

电阻电桥可以用电流源驱动，也可以用电压源驱动，其工作实质是由于外力作用，导致电桥臂上的一个或几个电阻阻值发生变化，从而破坏电桥的平衡，输出差模信号。通过调理和转换差模的信号的大小，即可以获得电阻变化的信息，从而再换算出外力的大小。如下面这个压力测试仪，上下两个应变片在外力作用下弯曲：一个被拉长，值以+ε的比例变大;一个被压短，阻值以-ε的比例变小。

未受外力作用时，电桥平衡(左);受到外力时阻值改变，电桥不再平衡(右)这里我们用最简单的单电阻变化的电桥为例，说明信号调理过程中的挑战:

压力引起的电桥臂上应变片的形变实际上是非常的小，一个压力传感器的满量程差分输出通常都在20mV以下，而共模电压则通常在2.5V以上。如果直接对信号放大，共模信号会引起威廉希尔官方网站 饱和。因此，首先我们需要进行共模抑制，提取出差模信号。如上图，共模信号为2.5V，差模信号为6.3mV，我们只需将V+减去V-即可，自然而然的，我们想到了运放的一个基本威廉希尔官方网站 ，减法器：

所以，我们可以用运算放大器和外部电阻网络自己搭建一个差动放大器，但是这样的话，威廉希尔官方网站 的共模抑制比(CMRR，定义为差模的信号的放大倍数比上共模信号的放大倍数)是被外部电阻网络所限制。假如R1，R2，R3，R4中仅有一只电阻有0.1%的误差，导入上面的公式可以得到CMRR将下降到66dB;若误差为1%，CMRR将下降到46dB。那么，我们在通用电子市场上里通常能买到的最精密的电阻为多少误差呢?1%，而我们在学校里经常抓来使用的电阻常常只有5%的甚至更差的精度，这将使我们的共模抑制比更加“惨不忍睹”。上面的例子里，VCM=2.5V，若VDM=20mV，60dB的CMRR将使VCM=2.5V减小到1/1000，此时VCM仍将有2.5mV，这相当于有用差模信号的10%，对我们的测量结果有相当大的影响，因此我们需要更高的CMRR。

No.3仪表放大器

然而，差动放大器也有其天生的弱点：由于电阻网络内置，使得其输入阻抗大大降低。当输入阻抗较小如十几千欧姆时，这对高源阻抗的应用相当不利，因为过低的运放输入阻抗会称为信号源的负载，而且源阻抗的不匹配会造成差动放大器的电阻网络不再精密匹配，从而导致CMRR降低。此时我们需要增加差动放大器的输入阻抗，于是我们在差动放大器的前面加入两个输入缓冲器作为第一级，并在第一级的外部通过RG提供差分信号的增益(保持共模信号不变)，在第二级(即差动放大器)提供第二次差分信号的增益，并抑制共模信号。这样差分信号可以被两级放大，因此仪表放大器的放大倍数可以相当大。同时，共模电压被抑制，由CMRR的定义，可以知道仪表放大器的CMRR可以比差动放大器更高，通常可以轻易超过100dB，甚至达到120dB。如下图，是对这种经典的三运放仪表放大器的推导(差动放大器为单位增益)：

除了三运放的仪表放大器，还有一种简化的两运放仪表放大器，它也能完成共模信号的抑制，并在直流处拥有和三运放仪表放大器相近的性能，当然，省略一个运放使得它拥有更低的成本，它每一级间的推导结果如下图所示：

两运放仪表放大器虽然价格低廉，并在直流处拥有同样优良的共模抑制比，但是由于输入引脚的信号路径不平衡(一个输入直接进入A2，一个经过A1后才进入A2)，导致在频率稍高时CMRR急剧恶化。而三运放的仪表放大器可以提供最好的输入信号平衡，从而在频率稍高时(几百到数kHz)也能达到极佳的CMRR，如下图所示：

与差动放大器一样，仪表放大器也有其显著的优缺点，优点在于其输入阻抗非常高，共模抑制比非常好，适合用在信号源阻抗较高的需要抑制共模信号的场合，比如惠斯通桥，人体信号处理(在医疗信号处理中的模拟信号前端调理中，总是可以看到非常多的仪表放大器)。

No.4电流检测放大器

电流并联检测，就是通过测量置于电流路径上的电阻上的压降来监视电流的威廉希尔官方网站 (尽管存在着其它技术，例如磁相关技术，但这里的讨论仅限于并联电阻电流测量)。并联电阻测量电流的方法主要有两种，高侧和低侧。低侧测量方法直接简单,它通过在A点处测量电流经过置于负载和地之间的电阻时所产生的压降来检测电流，如下图：

低侧电流测量的特点就是直接简便，只需一个运算放大器便可完成测量，且非常准确：

但其在接地路径上加入了阻值，这非常不利，因为流入地平面的电流将在感应电阻上产生电压，这个电压将以地平面噪声的形式出现在系统的所有地节点上。由于数字威廉希尔官方网站 在0，1间切换，导致电流将是动态的，这将在地平面上形成高频噪声，影响模拟部分的精度甚至引起数字部分的误动作。所以若能接受地平面的噪声，低侧电流测量是最简单最好的方法。若不能接受，我们可以选择高侧电流测量。高侧电流测量技术通过测量A点和 B 点间电流经过置于电源和负载间的电阻时所产生的压降来测量电流，如下图：

高侧电流检测器的优势和低侧相比非常明显，它直接连接至电源，并且可以检测所有的下行故障以及触发适当的更正措施，并且不会产生额外的接地干扰。 但它对信号调理提出了更高的要求，因为一般我们选择10m欧以下的电阻做为感应电阻，这样在感应电阻上不会产生大的压降，从而减少对后端系统的影响同时减少无用功率消耗，当这样的话，在AB间会有一个mV级的差模电压，同时在AB点处存在等于VCC的共模电压。 所以我们需要非常好的共模抑制比和能接受非常高且经常变动的共模电压(经常超出放大器所使用的电源轨的限制)。 备选的有差动放大器和电流检测放大器，差动放大器通过衰减输入信号并相减来实现高共模信号的抑制，而电流检测放大器通过高耐压的晶体管输入级和电阻将电压转化为电流，进行电流的相减，再通过第二级放大并转化为电压信号(或不转化)再输出。 因此电流检测放大器通常还拥有较大的带宽和响应速度，两者的优劣列表简述如下：