运放组成的差分放大电路

一. 来自传感器的信号往往很微弱，需要运放进行放大，以便后续的数字化处理。图一为基本差分放大电路，它是反相输入和同相输入相结合的电路，当电阻值满足：Rf/R1=R3/R2=K时,

Uo=K(Ui2-Ui1) ,K为差动放大倍数，图一的K=10 ;

由于有同相端的电阻分压网络和反相端的负反馈网络的存在，使得该电路的输入电阻不够大，如信号源的内阻比较大或是变化的，将会使输出信号产生较大的误差，换而言之，这种差分电路只能配低内阻信号源；同时该电路要求Rf/R1精确等于R3/R2，否则差分输入和输出之间将不是正比例线性函数关系，会同时放大共模信号，共模抑制比就会急剧下降，换句话说，该电路所用的电阻必须是低温漂的高精度电阻。

图一 基本差分放大器

为解决图一电路无法处理高内阻传感器信号的问题，可在差放电路的两个输入端各加一个电压跟随器进行缓冲隔离，如图二所示。电压跟随器输入电阻极高，可认为断路，不取用传感器电流，不影响传感器信号的大小；跟随器的输出此时是差放电路的信号源，其输出电阻很低，可忽略其存在，就能满足该电路对低内阻信号源的要求。

图二 带缓冲器的基本差分放大电路

图一所示的基本差分放大电路，其外接的四个电阻需要严格挑选，精确度要求很高，不易满足。一般选用将四个电阻集成在芯片内部的差分放大器。光刻芯片时，利用激光微调技术，可将四个电阻校准到极高的精度。INA143就是集成的基本差分放大器芯片，其内部结构及示例如图三所示。

图三 集成差分放大器构成的电路

二. 图四是同相比例电路，平衡电阻R2=R1//Rf ,由I+ =0,知Up=Ui ;在深度负反馈条件下，Un=Up=Ui，即输入电位转移到了N点，使得Un=Ui ；易推导出Uo=(1+Rf/R1)Ui ,当断开R1(即R1=无穷大)时，Uo=Ui，输出跟随输入，得到图五所示的电压跟随器电路。现根据前面提及的电路，说明图六所示三运放构成的差分放大电路。

图四 同相比例放大电路

图五 电压跟随器

图六 三运放差分放大电路

图六所示的三运放差分放大电路由两级差动放大电路组成，A1、A2构成第一级差放电路，是两个同相比例电路的组合。由于引入了深度电压串联负反馈电路，使输入电阻大大增加，可视为断路，又使输出电阻大大减小，可视为零，为第二级基本差放电路创造了优良的工作条件；A3构成了第二级差放电路。

根据前述同相比例电路的特点，Ui2转移到了A点，即UA=Ui2 ;Ui1转移到了B点，即UB=Ui1,故流过R2的电流为：i=(Ui2-Ui1)/R2 ;又因iA=iB=0 ,R1、R2、R1中流过相同的电流i，所以对于差模信号而言：

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

Uo=Rf/R(Uo2-Uo1) ;

对于共模成分电压而言：

Ui2=Ui1=Uic(共模电压)，此时i=0，Uo2=Uo1=Uic ，即共模电压没有被放大，而是直接转移到了第一级输出端，这就降低了对第二级运放A3的共模抑制比要求。

若A1、A2选用相同特性的运放，则它们的共模输出电压和漂移电压都相等，再通过第二级差分电路，就可以相互抵消。电阻R1、R2、Rf和R应使用低温漂精密电阻。

这种三运放构成的差分放大电路，已有多种型号的集成芯片，如INA102、INA848,一般称之为仪表放大器，用它们对微弱信号进行处理，更加简洁、精准、方便，当产品对成本无苛刻要求时，应优先选用。

审核编辑：汤梓红