在之前关于传感器的文章中，我们探讨了用于精密传感器应用的单端运算放大器拓扑结构 。放大器电路在精密信号链中起着关键作用，它能在保持保真度的同时放大传感器信号。在本文中，我们将重点介绍差分放大器，这是一种在传感器应用中基础且重要的拓扑结构。

差分放大器

许多传感器输出差分信号，其中被测量的物理特性由两个电压之间的差值来表示。

使用具有差分输出的传感器的一个优势在于，任何共模电压（即传感器两个输出端都存在的电压）都可以被具有差分输入和高共模抑制比（CMRR）的放大器抑制。除了抑制传感器输出的共模电压外，差分信号在系统中还有其他几个优点。

一个好处是，高共模抑制能力使系统对电磁干扰（EMI）具有很强的抵抗力。外部 EMI 会在差分信号的两根导线上引入噪声；这种共模噪声会被差分放大器抑制，从而保留并放大所需的差分信号，实现出色的信噪比（SNR）。

差分信号的另一个优点是，其幅度是单端信号的两倍，这使得信噪比（SNR）提高了 6dB。输出信号幅度的加倍使得差分输入放大器在低电源电压的应用中非常有价值，因为在低电源电压下，没有足够的电压范围来实现大的信号摆幅。

差分放大器的工作原理

差分放大器是放大精密差分信号最基本且应用最广泛的拓扑结构（图 1）。差分放大器接受差分输入信号，抑制共模电压（V_CM），放大差分输入电压（V_DIFF），并输出一个与两个输入电压之差成比例的放大单端信号。

image681×221 38.2 KB

图 1. 差分放大器电路

它的传递函数很简单，V_OUT = G × (VDIFF)，其中 V_DIFF 是（V₂ - V₁），G 是放大器电路的增益，等于（R2/R1）的比值。

与只有一个输入的单端放大器不同，差分放大器处理两个输入电压 V₁ 和 V₂。这与运算放大器的输入（+IN 和–IN）不同。共模电压定义为两个输入电压的平均值，即 V_CM = (V₂ + V₁)/2。

例如，当 V₁ 为 5V，V₂ 为 3V 时，共模输入电压为 4V，差分电压为 2V。正是这个 2V 的差分信号会在输出端被放大。

如前所述，具有差分输入的放大器的共模抑制比表示为 CMRR = 20 × log10 (A_DIFF/A_CM)。

需要注意的是，随着差模增益（A_DIFF）增加和共模增益（A_CM）减小：

• 共模抑制比（CMRR）与差模增益成比例提高。这提供了一个显著的优势，允许同时实现更高的增益和更好的 CMRR。
• 另一点需要注意的是，CMRR 往往会随着频率的增加而降低。因此，在感兴趣的信号频率下选择具有所需共模抑制能力的差分放大器至关重要。

电阻容差和放大器精度

差分放大器的共模抑制比（CMRR）在很大程度上取决于电阻比值（R2/R1 和 R2’/R1’）的匹配精度。当使用像图 3 中的分立元件时，达到这种精度水平可能具有挑战性。

例如，虽然一个精密运算放大器可能具有 140dB 或更高的 CMRR，但由容差为 0.1% 的电阻构建且增益为 1 的四电阻差分放大器，只能实现最低 54dB 的 CMRR。这大约相当于一个 9 位 ADC 的精度，对于基本任务可能可行，但对于要求更高 CMRR 和电阻匹配的高精度应用来说则不够。

另一个关键因素是增益精度。为了将信号放大到特定增益，需要为 R2、R1、R1’和 R2’选择特定的电阻值。任何与标称电阻值的偏差都会导致比值失配，从而产生增益误差。此外，由于电阻会随温度变化，这些失配会导致增益随时间漂移。

在分立放大器电路中，这些问题可以通过匹配良好的电阻网络来缓解，例如，ADI 公司的 LT5400 系列电阻比值匹配精度可达 0.01%，LT5401 的匹配精度为 0.003%。

在集成差分放大器中，放大器和电阻在单片集成电路（IC）上制造，确保了在制造过程中的精确匹配。这种设计提供了卓越的 CMRR、最小的增益误差和更小的增益漂移，因为电阻使用相同的材料并且处于相同的温度环境。

许多集成解决方案提供 80dB - 90dB 的 CMRR，增益误差低至 0.005% - 0.02%，漂移低至 1ppm/°C。

差分放大器的应用

差分放大器用于电流检测

差分放大器广泛用于精密电流检测，如图 5 所示。流向负载的电流通过一个低电阻分流（检测）电阻，在其上产生一个与负载电流成正比的电压。这个代表检测到的电流的小差分电压随后被放大，以充分利用模数转换器（ADC）的输入电压范围。

image865×174 36.2 KB

图 2. 用差分放大器放大精密差分信号

图 2 所示的电路是高端电流检测的一个例子，其中分流电阻位于电源和负载之间（在此位置测量电流），而不是低端检测，低端检测时分流电阻位于负载和地之间。高端电流检测有几个优点，包括能够检测负载对地的短路情况。

在高端差分电流检测中，必须考虑两个关键电压：

• 差分电压（V_DIFF），即分流电阻两端的电压（输入 V₂ 和输入 V₁ 之间的差值）。
• 共模电压（V_CM），它同时存在于 V₂ 和 V₁ 上。

在这个例子中，运算放大器的 + IN 输入看到的电压是 V_SUPPLY（或 V_LOAD + V_DIFF），运算放大器的 –IN 输入看到的电压是 V_LOAD（或 V_SUPPLY – V_DIFF）。差分放大器将放大差分电压并抑制共模电压。

在许多应用中，包括高端电流检测，共模输入电压可能远大于差分电压的幅度。实际上，它通常可能远大于运算放大器的电源电压，有时高达数百伏。由于输出端的共模误差与输入端的共模电压直接成正比，因此具有极高共模输入电压的系统需要相应较高的 CMRR 才能获得精确的模拟输出信号。

差分放大器的关键特性之一是它能够抑制远高于电源电压范围的高共模电压。这是可能的，因为每个输入上的电阻网络会将输入电压 V₁ 和 V₂ 衰减到运算放大器输入 + IN 和–IN 处于指定输入电压范围内的程度。

电平转换

差分放大器的优点之一是它能够轻松转换输出电压电平。许多差分放大器为此设有一个参考输入。通过向参考引脚施加一个电压，当输入差值为零时，输出可以设置为与该参考电压匹配。这个特性对于使放大器的输出与所需的参考电压对齐特别有用。例如，你可以将输出设置为电源电压的一半，以便在单电源下进行双向检测（图 3），或者将其设置为 ADC 输入范围的中点以最大化动态范围（图 4）。

image865×355 78.5 KB

图 3. 电平转换，使输出电压始终参考电源电压的一半

例如，如果一个信号在 ±2.5V 之间振荡，需要输入到一个输入范围为 0V 到 5V 的 ADC 中，将信号中心设置在 ADC 满量程范围的一半以利用整个输入范围就很重要。

图 7 展示了实现这一目标的一种简单方法。或者，也可以向两个 REF 输入引脚施加单个电压，直接设置输出参考电压。

image865×219 38.5 KB

图 4. 电平转换，使输出参考 ADC 参考电压的一半

结论

差分放大器在精密传感器应用中至关重要，它能在抑制共模噪声的同时提供精确的信号放大。它们非常适合用于电流检测、提高信噪比以及使输出电平与 ADC 匹配。具有高 CMRR 和精确电阻匹配的集成解决方案提高了性能，使其成为高精度系统的重要组成部分。

相关文章：

• 理解用于精密传感器应用的单端运算放大器拓扑结构
• 电流检测放大器及其与差分放大器的区别