CN115296631B - 一种差分电路、电路板及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种差分电路、电路板及电子设备,包括电阻模块的第一端和第二端用于接收信号,第三端与第一反相放大器的反相输入端连接,第四端与第二反相放大器的反相输入端连接,第五端与第三反相放大器的反相输入端连接;第一反相放大器的输出端与反相输入端通过第一可变电阻连接,以及与第二反相放大器的反相输入端和第三反相放大器的反相输入端连接;第二反相放大器的输出端与反相输入端通过第二可变电阻连接,以及与第四反相放大器的反相输入端连接;第三反相放大器的输出端与反相输入端通过第三可变电阻连接,以及与第四反相放大器的正相输入端连接;第四反相放大器的用于输出信号,提升对于高共模电压和低差模电压的信号的测量效果。
Description
技术领域
本申请实施例涉及差分电路技术领域,尤其涉及一种差分电路、电路板及电子设备。
背景技术
随着科技的发展,人们的生活中充满了各种各样的电子设备。而在很多的电子设备的测量场合中,为了保证测量安全,都会使用高压差分探头。高压差分探头通过较大的衰减比例,将信号进行大幅度衰减,再通过运放来抑制共模电压的干扰。
现有的高压差分探头中的差分电路中,差模信号和共模信号都是通过同样的衰减电路进入放大器等缓冲器中的,因而差模信号和共模信号的衰减倍数是一致的。而为了使缓冲器不被饱和,则必须使用较大的放大倍数才能适配高共模电压。比如,需要满足1.5KV的共模电压的差分探头,一般要500倍的衰减倍数,但是,如果对应的差模电压较小,比如差模电压为1V电压,同样也需要经过500倍的衰减倍数进行衰减处理,这样衰减后差模电压只剩下2mV,导致了信噪比下降。
基于现有的高压差分探头的差分电路设计,使得现有的高压差分探头对于同时存在高共模电压和低差模电压的信号的测量效果较差。
发明内容
本申请实施例提供一种差分电路、电路板及电子设备,能够解决对于高共模电压和低差模电压的信号的测量效果较差的问题,提升共模信号的衰减比,提高差模信号的信噪比,从而提升了对于高共模电压和低差模电压的信号的测量效果。
在第一方面,本申请实施例提供了一种差分电路,包括电阻模块、第一反相放大器、第二反相放大器、第三反相放大器和第四反相放大器;
所述电阻模块的第一端和第二端用于接收信号,第三端与所述第一反相放大器的反相输入端连接,第四端与所述第二反相放大器的反相输入端连接,第五端与所述第三反相放大器的反相输入端连接;
所述第一反相放大器的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第一可变电阻连接,以及与所述第二反相放大器的反相输入端和所述第三反相放大器的反相输入端连接;
所述第二反相放大器的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第二可变电阻连接,以及与所述第四反相放大器的反相输入端连接;
所述第三反相放大器的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第三可变电阻连接,以及与所述第四反相放大器的正相输入端连接;
所述第四反相放大器的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第一电阻连接,以及用于输出信号。
进一步的,所述第一反相放大器的输出端通过第二电阻与所述第二反相放大器的反相输入端连接,以及通过第三电阻与所述第三反相放大器的反相输入端连接。
进一步的,所述电阻模块包括第一电阻模块和第二电阻模块;
所述第一电阻模块的第一端和第二端用于接收信号,所述第一电阻模块的第三端与所述第二电阻模块的第一端连接,所述第一电阻模块的第四端与所述第二反相放大器的反相输入端连接,所述第一电阻模块的第五端与所述第三反相放大器的反相输入端连接;
所述第二电阻模块的第二端接地,所述第二电阻模块的第三端与所述第一反相放大器的反相输入端连接。
进一步的,所述第一电阻模块包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻;
所述第四电阻的第一端用于接收信号,第二端与所述第五电阻的第一端连接,以及与所述第六电阻的第一端连接;
所述第五电阻的第二端与第七电阻的第一端连接,以及与所述第二电阻模块的第一端连接;
所述第六电阻的第二端与所述第一反相放大器的输出端连接;
所述第七电阻的第二端与所述第八电阻的第一端连接,以及与所述第九电阻的第一端连接;
所述第九电阻的第二端与所述第一反相放大器的输出端连接;
所述第八电阻的第二端用于接收信号。
进一步的,所述第二电阻模块包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻;
所述第十电阻的第一端与所述第五电阻的第二端连接,以及与第七电阻的第一端连接;
所述第十电阻的第二端与所述第十一电阻的第一端连接,以及与所述第十二电阻的第一端连接;
所述第十一电阻的第二端接地;
所述第十二电阻的第二端与所述第一反相放大器的反相输入端连接。
进一步的,所述电路还包括第十三电阻、第十四电阻和第十五电阻;
所述第十三电阻的第一端与所述第二反相放大器的输出端连接,第二端与所述第四反相放大器的反相输入端连接;
所述第十四电阻的第一端与所述第三反相放大器的输出端连接,第二端与所述第十五电阻的第一端,以及与所述第四反相放大器的正相输入端连接;
所述第十五电阻的第二端接地。
进一步的,所述第一可变电阻、所述第二可变电阻以及所述第三可变电阻的两端分别通过对应的电容器连接。
进一步的,从所述第二电阻到所述第十二电阻,每个电阻的两端分别通过对应的电容器连接。
在第二方面,本申请实施例提供了一种电路板,包括如第一方面所述的差分电路。
在第三方面,本申请实施例提供了一种电子设备,包括如第一方面所述的差分电路。
本申请实施例提供了一种差分电路,对差模信号和共模信号实现不同的衰减比,实现了对共模信号高衰减比,而对差模信号实现低衰减比,从而提升了对于高共模电压和低差模电压的信号的测量效果。并且,通过反向放大器的设置,可以减少信号在不同偏置电压下造成的差异,进一步提升信号的测量效果。此外,通过第一可变电阻、第二可变电阻和第三可变电阻对第一反相放大器、第二反相放大器和第三反相放大器进行增益调节,提高了电路的共模信号的抑制能力,从而提升了对于高共模电压和低差模电压的信号的测量效果。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种差分电路示意图;
图2是本申请实施例提供的电阻模块的电路示意图;
图3是本申请实施例提供的另一种差分电路示意图;
图4是本申请实施例提供的一种差模信号的等效电路图;
图5是本申请实施例提供的一种共模信号的等效电路图;
图6是本申请实施例提供的又一种差分电路示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图对本申请具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请,而非对本申请的限定。
在本申请实施例的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
图1给出了本申请实施例提供的一种差分电路示意图,参照图1,该差分电路包括电阻模块R20、第一反相放大器U1、第二反相放大器U2、第三反相放大器U3和第四反相放大器U4。其中,电阻模块R20的第一端和第二端用于接收信号,信号包括有共模信号Vcom和差模信号Vdiff,电阻模块R20的第三端与第一反相放大器U1的反相输入端连接,第四端与第二反相放大器U2的反相输入端连接,第五端与第三反相放大器U3的反相输入端连接。第一反相放大器U1的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第一可变电阻R21连接,以及与第二反相放大器U2的反相输入端和第三反相放大器U3的反相输入端连接。第二反相放大器U2的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第二可变电阻R22连接,以及与第四反相放大器U4的反相输入端连接;第三反相放大器U3的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第三可变电阻R23连接,以及与第四反相放大器U4的正相输入端连接;第四反相放大器U4的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第一电阻R1连接,以及用于输出信号Vout。通过在差电路设置第一反相放大器U1、第二反相放大器U2、第三反相放大器U3和第四反相放大器U4,可以减少信号在不同偏置电压下造成的差异,进一步提升信号的测量效果。此外,通过第一可变电阻R21、第二可变电阻R22和第三可变电阻R23对第一反相放大器U1、第二反相放大器U2和第三反相放大器U3进行增益调节,提高了电路的共模信号的抑制能力,从而提升了对于高共模电压和低差模电压的信号的测量效果。
在一实施例中,参照图1,在第一反相放大器U1与第二反相放大器U2以及与第三反相放大器U3之间通过第二电阻R2和第三电阻R3连接。第一反相放大器U1的输出端通过第二电阻R2与第二反相放大器U2的反相输入端连接,以及通过第三电阻R3与第三反相放大器U3的反相输入端连接。通过设定电阻模块和第二电阻R2以及第三电阻R3的阻值,可以使得共模信号的幅度被抑制,从而使得整体差分电路实现在高共模信号中测量低差模信号时能获得更好的信噪比,进而提升对于高共模电压和低差模电压的信号的测量效果。
在一实施例中,为了更好的进行电阻模块的阻值设定,可以对电阻模块进行进一步的细化设置。图2是本申请实施例提供的电阻模块的电路示意图,参照图2,电阻模块R20包括第一电阻模块R24和第二电阻模块R25,第一电阻模块R24的第一端和第二端用于接收信号,第一电阻模块R24的第三端与第二电阻模块R25的第一端连接,第一电阻模块R24的第四端与第二反相放大器U2的反相输入端连接,第一电阻模块R24的第五端与第三反相放大器U3的反相输入端连接。第二电阻模块R25的第二端接地,第二电阻模块R25的第三端与第一反相放大器U1的反相输入端连接。第一电阻模块R24包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9。第四电阻R4的第一端用于接收信号,第二端与第五电阻R5的第一端连接,以及与第六电阻R6的第一端连接。第五电阻R5的第二端与第七电阻R7的第一端连接,以及与第二电阻模块R25的第一端连接。第六电阻R6的第二端与第一反相放大器U1的输出端连接。第七电阻R7的第二端与第八电阻R8的第一端连接,以及与第九电阻R9的第一端连接。第九电阻R9的第二端与第一反相放大器U1的输出端连接。第八电阻R8的第二端用于接收信号。第二电阻模块R25包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12。第十电阻R10的第一端与第五电阻R5的第二端连接,以及与第七电阻R7的第一端连接。第十电阻R10的第二端与第十一电阻R11的第一端连接,以及与第十二电阻R12的第一端连接。第十一电阻R11的第二端接地。第十二电阻R12的第二端与第一反相放大器U1的反相输入端连接。
在一实施例中,图3是本申请实施例提供的另一种差分电路示意图,该差分电路还包括有第十三电阻R13、第十四电阻R14和第十五电阻R15。第十三电阻R13的第一端与第二反相放大器U2的输出端连接,第二端与第四反相放大器U4的反相输入端连接。第十四电阻R14的第一端与第三反相放大器U3的输出端连接,第二端与第十五电阻R15的第一端,以及与第四反相放大器U4的正相输入端连接。第十五电阻R15的第二端接地。
在一实施例中,根据上述的差分电路,可以将差模信号和共模信号分开衰减电路。图4是本申请实施例提供的一种差模信号的等效电路图,参照图4,对于差模信号Vdiff而言,其中VF2和VF3处对应的差模信号衰减比例为N1,其中N1的具体计算为:
图5是本申请实施例提供的一种共模信号的等效电路图,参照图5,可以计算得到VF2和VF3处对应的共模信号衰减比例为N2,其中R1=R2,R3=R4,R5=R6,R11=R12,R15=R16,R17=R18,R13=R14,N2的具体计算为:其中,K=2×R11×R12+(R5+2×R10)×(R11+R12),由N2的计算公式可知,当分子中多项式-0.2×R22×(1.0×R21×R6×R12-0.5×R2×K)结果为0时,则输出至VF2和VF3处的共模信号(电压)被衰减为0,等式如下:1.0×R21×R6×R12=0.5×R2×K,求解上述等式得到关系为即当R10、R2、R12、R5、R11和R6满足上述关系,则可以使得VF2和VF3处的共模信号(电压)的幅度被抑制为0,则共模信号将不会输入到第四反相放大器U4中,也不会通过输出信号Vout输出至有源网络中。因此,根据本申请实施例提供的差分电路,可以设定对应的第二电阻R2、第五电阻R5、第六电阻R6、第十电阻R10、第十一电阻R11以及第十二电阻R12的阻值,使其满足关系则可以使共模信号被抑制为0,使得共模信号不会输入至有源网络中。采用共模信号和差模信号分开的衰减电路,使得共模信号和差模信号有各自的衰减比例,可以在较低差模信号衰减比的情况下,实现共模信号的大幅度衰减,使得在高共模信号中测试低差模信号时能获得更好的信噪比。
在一实施例中,通过第一可变电阻R21、第二可变电阻R22和第二可变电阻R23进行微调来消除实体电阻(第一电阻R1~第十二电阻R12)误差带来的影响,使得共模信号的抑制不受电阻本身误差的影响,从而提高共模信号的抑制效果。第一可变电阻R21、第二可变电阻R22和第二可变电阻R23可以采用数字电位器作为可变电阻,对反相放大器增益进行调节,从而提高电路的共模信号抑制能力。
在一实施例中,通过设置第一反相放大器U1、第二反相放大器的U2、第三反相放大器U3和第四反相放大器U4,将反相放大器的正相输入端虚地,保证了放大电路不会随着输入信号偏置电压的改变而改变,减少信号在不同偏置电压下造成的差异,从而提高了共模信号的抑制作用。
在一实施例中,通过上述差分电路,针对差模信号Vdiff和共模信号Vcom实现不同衰减比,实现对共模信号Vcom高衰减比的通过对差模信号Vdiff实现低衰减,从而可以对高共模电压上的低差模电压进行高信噪比的测量。采用运放放大器(第一反相放大器U1、第二反相放大器U2、第三反相放大器U3和第四反相放大器U4)来代替缓冲器,并加入数字电位器(第一可变电阻R21、第二可变电阻R22和第三可变电阻R23)组成的调整电路,在生产时设定对应的第二电阻R2、第五电阻R5、第六电阻R6、第十电阻R10、第十一电阻R11以及第十二电阻R12的阻值使其满足上述使共模信号被抑制为0对应的关系的基础上,出厂前通过数字电位器(第一可变电阻R21、第二可变电阻R22和第三可变电阻R23)的校准,来保证共模电压的抑制性能,从而提高共模信号的抑制效果。采用反相放大电路进行设计,运放的正负端口电压都是0V,不会随着共模电压的变化而变化,不会出现共模电压影响静态工作点的问题,也不会由于共模抑制比有限让共模信号Vcom泄露到后级电路中。
在一实施例中,为了减少上述差分电路中的寄生电容的影响,提出又一种差分电路,图6是本申请实施例提供的又一种差分电路示意图,参照图6,该差分电路为在上述差分电路的基础上,第一可变电阻R21、第二可变电阻R22以及第三可变电阻R23的两端分别通过对应的电容器连接。第一可变电阻的第一端和第二端通过电容器C22连接,第二可变电阻R22的第一端和第二端通过电容器C23连接,第三可变电阻的第一端和第二端通过电容器C23连接。从第二电阻R2到第十二电阻R12,每个电阻的两端分别通过对应的电容器连接。第二电阻R2的第一端和第二端通过电容器C2连接,第三电阻R3的第一端和第二端通过电容器C3连接,第四电阻的第一端和第二端通过电容器C4连接,第五电阻R5的第一端和第二端通过电容器C5连接,第六电阻R6的第一端和第二端通过电容器C6连接,第七电阻R7的第一端和第二端通过电容器C7连接,第八电阻R8的第一端和第二端通过电容器C8连接,第九电阻R9的第一端和第二端通过电容器C9连接,第十电阻R10的第一端和第二端通过电容器C10连接,第十一电阻R11的第一端和第二端通过电容器C11连接,第十二电阻的第一端和第二端通过电容器C12连接。电容器用于对电路中的寄生电容进行补偿,关系式表示为Rn×Cn=A,其中Rn代表电阻值,Cn代表各个电容器的电容值,A代表常数值。
上述,通过对差模信号和共模信号实现不同的衰减比,实现了对共模信号高衰减比,而对差模信号实现低衰减比,从而提升了对于高共模电压和低差模电压的信号的测量效果。并且,通过反向放大器的设置,可以减少信号在不同偏置电压下造成的差异,进一步提升信号的测量效果。此外,通过第一可变电阻、第二可变电阻和第三可变电阻对第一反相放大器、第二反相放大器和第三反相放大器进行增益调节,提高了电路的共模信号的抑制能力,从而提升了对于高共模电压和低差模电压的信号的测量效果。
本申请实施例还提供了一种电路板,包括上述差分电路。
本申请实施例还提供了一种电子设备,包括上述差分电路。该电子设备,例如高压差分探头等,可以实现对高共模电压和低差模电压的信号的测量,且能够较好的测量效果。
上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本申请不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行的各种明显变化、重新调整及替代均不会脱离本申请的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明,但是本申请不仅仅限于以上实施例,在不脱离本申请构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本申请的范围由权利要求的范围决定。
Claims (6)
1.一种差分电路,其特征在于,包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第一反相放大器、第二反相放大器、第三反相放大器和第四反相放大器;
所述第四电阻的第一端用于接收信号,第二端与所述第五电阻的第一端连接,以及与所述第六电阻的第一端连接;
所述第六电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接,以及与所述第二反相放大器的反相输入端连接;
所述第二电阻的第二端与所述第一反相放大器的输出端连接,以及与所述第三电阻的第一端连接;
所述第三电阻的第二端与所述第九电阻的的第二端连接,以及与所述第三反相放大器的反相输入端连接;
所述第九电阻的第一端与所述第七电阻的第二端与所述第八电阻的第一端连接,所述第八电阻的第二端用于接收信号;
所述第七电阻的第一端与所述第五电阻的第二端连接以及与所述第十电阻的第一端连接;
所述第十电阻的第二端与所述第十一电阻的第一端连接,以及与所述第十二电阻的第一端连接;
所述第十二电阻的第二端接地,其中第二电阻、第五电阻、第六电阻、第十电阻、第十一电阻以及第十二电阻的阻值满足以下关系:
所述第十一电阻的第二端与所述第一反相放大器的反相输入端连接,所述第一反相放大器的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第一可变电阻连接;
所述第二反相放大器的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第二可变电阻连接,以及与所述第四反相放大器的反相输入端连接;
所述第三反相放大器的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第三可变电阻连接,以及与所述第四反相放大器的正相输入端连接;
所述第四反相放大器的正相输入端接地,输出端与反相输入端通过第一电阻连接,以及用于输出信号。
2.根据权利要求1所述的差分电路,其特征在于,所述电路还包括第十三电阻、第十四电阻和第十五电阻;
所述第十三电阻的第一端与所述第二反相放大器的输出端连接,第二端与所述第四反相放大器的反相输入端连接;
所述第十四电阻的第一端与所述第三反相放大器的输出端连接,第二端与所述第十五电阻的第一端,以及与所述第四反相放大器的正相输入端连接;
所述第十五电阻的第二端接地。
3.根据权利要求1所述的差分电路,其特征在于,所述第一可变电阻、所述第二可变电阻以及所述第三可变电阻的两端分别通过对应的电容器连接。
4.根据权利要求2所述的差分电路,其特征在于,从所述第二电阻到所述第十二电阻,每个电阻的两端分别通过对应的电容器连接。
5.一种电路板,其特征在于,包括权利要求1-4任一所述的差分电路。
6.一种电子设备,其特征在于,包括权利要求1-4任一所述的差分电路。
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