如何将运算放大器用作差分放大器查找电压值的电压差

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刍狗|  楼主 | 2022-11-6 17:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

运算放大器最初是为模拟数学计算而开发的,从那时起,它们已被证明在许多设计应用中都很有用。正如我的教授所说的那样,运算放大器是算术电压计算器,它们可以使用求和放大器电路执行两个给定电压值的加法,并使用差分放大器执行两个电压值之间的差。除此之外,运算放大器还通常用作反相放大器和同相放大器。

运算放大器最初是为模拟数学计算而开发的,从那时起,它们已被证明在许多设计应用中都很有用。正如我的教授所说的那样,运算放大器是算术电压计算器,它们可以使用求和放大器电路执行两个给定电压值的加法,并使用差分放大器执行两个电压值之间的差。除此之外,运算放大器还通常用作反相放大器和同相放大器。


在本教程中,我们将学习如何将运算放大器用作差分放大器来查找两个电压值之间的电压差。它也被称为电压减法器。我们还将在面包板上尝试电压减法器电路,并检查电路是否按预期工作。


运算放大器的基础知识


在我们深入了解差分运算放大器之前,让我们快速了解一下运算放大器的基础知识。运算放大器是一个五端子器件(单封装),带有两个端子(Vs+、Vs-),用于为器件供电。在其余三个端子中,两个(V+、V-)用于信号,称为反相和同相端子,其余一个(Vout)是输出端子。运算放大器的基本符号如下所示。



运算放大器的工作非常简单,它从两个引脚(V+、V-)接收不同的电压,将其放大增益值并将其作为输出电压(Vout)。运算放大器的增益可能非常高,因此适用于音频应用。永远记住,运算放大器的输入电压应低于其工作电压。要了解有关运算放大器的更多信息,请查看其在各种基于运算放大器的电路中的应用。


对于理想运算放大器,输入阻抗将非常高,即没有电流通过输入引脚(V+、V-)流入或流出运算放大器。要了解运算放大器的工作原理,我们可以将运算放大器电路大致分为开环和闭环。


运算放大器开环电路(比较器)


在开环运算放大器电路中,输出引脚(Vout)不与任何输入引脚连接,即不提供反馈。在这种开环条件下,运算放大器用作比较器。一个简单的运算放大器比较器如下所示。请注意,Vout 引脚未与输入引脚 V1 或 V2 连接。



在这种情况下,如果提供给 V1 的电压大于 V2,则输出 Vout 将变高。同样,如果提供给 V2 的电压大于 V1,则输出 Vout 将变低。


运算放大器闭环电路(放大器)


在闭环运算放大器电路中,运算放大器的输出引脚与任一输入引脚连接以提供反馈。这种反馈称为闭环连接。在闭环期间,运算放大器用作放大器,在此模式下,运算放大器可以找到许多有用的应用,例如缓冲器、电压跟随器、反相放大器、同相放大器、求和放大器、差分放大器、电压减法器等。如果Vout 引脚连接到反相端子,则称为负反馈电路(如下所示),如果连接到非反相端子,则称为正反馈电路。



差分放大器或电压减法器


现在让我们进入我们的主题,差分放大器。差分放大器基本上接收两个电压值,找到这两个值之间的差异并将其放大。产生的电压可以从输出引脚获得。一个基本的差分放大器电路如下所示。



但是等等!这不是运算放大器在默认情况下所做的,即使它没有反馈,它需要两个输入并在输出引脚上提供它们的差异。那么为什么我们需要所有这些花哨的电阻呢?


是的,但是运算放大器在开环(无反馈)中使用时将具有非常高的不受控制的增益,这实际上是没有用的。因此,我们使用上述设计在负反馈环路中使用电阻器来设置增益值。在我们上面的电路中,电阻器 R3 充当负反馈电阻器,电阻器 R2 和 R4 形成分压器。增益值可以通过使用正确的电阻值来设置。


如何设置差分放大器的增益?


上图所示差分放大器的输出电压可由下式给出


Vout = -V1 (R3/R1) + V2 (R4/(R2+R4))((R1+R3)/R1)


上式是利用叠加定理从上述电路的传递函数得到的。但是,我们不要过多讨论。通过考虑 R1=R2 和 R3=R4,我们可以进一步简化上述方程。所以我们会得到


当 R1=R2 且 R3=R4 时,Vout = (R3/R1)(V2-V1)


从上面的公式我们可以得出结论,R3和R1之间的比率将等于放大器的增益。


增益 = R3/R1


现在,让我们用电阻值代替上述电路并检查电路是否按预期工作。


差分放大器电路的仿真


我选择的电阻值为 R1 和 R2 为 10k,R3 和 R4 为 22k。相同的电路模拟如下所示。



出于模拟的目的,我为 V2 提供了 4V,为 V1 提供了 3.6V。根据公式,电阻器 22k 和 10k 将设置增益为 2.2 (22/10)。因此减法将为 0.4V (4-3.6),并将乘以增益值 2.2,因此所得电压将为 0.88V,如上述模拟所示。让我们也使用我们之前讨论过的公式来验证这一点。


当 R1=R2 且 R3=R4 时,Vout = (R3/R1)(V2-V1)


= (22/10)(4-3.6)

= (2.2) x (0.4)

= 0.88v


在硬件上测试差分放大器电路


现在到了有趣的部分,让我们在面包板上实际构建相同的电路并检查我们是否能够获得相同的结果。我正在使用LM324 运算放大器来构建电路并使用我们之前构建的面包板电源模块。该模块可以提供 5V 和 3.3V 输出,所以我使用 5V 电源轨为我的运算放大器供电,3.3V 电源轨作为 V1。然后我使用我的 RPS(稳压电源)为引脚 V2 提供 3.7V。电压之间的差异是 0.4,我们有 2.2 的增益,这应该给我们 0.88V,这正是我得到的。下图显示了设置和万用表,其读数为 0.88V。



这证明我们对差分运算放大器的理解是正确的,现在我们知道如何自行设计具有所需增益值的运算放大器。完整的工作也可以在下面给出的视频中找到。这些电路更常用于音量控制应用。


但是,由于该电路在输入电压侧(V1 和 V2)具有电阻,因此它不能提供非常高的输入阻抗,并且还具有高共模增益,从而导致低 CMRR 比。为了克服这些缺点,存在一种称为仪表放大器的临时版本的差分放大器,但让我们将其留给另一个教程。

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王栋春| | 2022-11-6 22:33 | 显示全部楼层
楼主介绍的非常详细,学习了。            

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