CN219740328U - 一种高共模电压输入差分放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高共模电压输入差分放大器，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四调节电阻R4、第五调节电阻R5和运算放大器，第一电阻R1、第三电阻R3、第五调节电阻R5的第一端与运算放大器的反向端电连接，第三电阻R3的第二端与运算放大器的输出端电连接，第五调节电阻R5的第二端接地；第二电阻R2、第四调节电阻R4的第一端与运算放大器的正向端电连接，第四调节电阻R4的第二端接地，R4、R5分别为由三个电阻形成的串并联网络。本实用新型只要调节R4与R5的比例满足一个关系，就可以使得两个增益公式结果相等，而没有必要设置固定的电阻值，从而实现共模电压输入范围大、低功耗、高精度、低噪声、低失调的功能。

Description

一种高共模电压输入差分放大器

技术领域

本实用新型属于差分放大器技术领域，具体涉及一种高共模电压输入差分放大器。

背景技术

差分放大器是能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也称作差动放大器，它是模拟电路设计中的一个重要电路，其对环境噪声具有更强的干扰抗性、能够有效抑制共模噪声，广泛应用于电流检测、电机控制、隔离放大器、输入保护、同步解调器、电池供电系统等领域。

差分放大器依据运算放大器的输入级抑制共模信号、放大差模信号的能力来完成对大共模电压上微小差模信号的采样放大，从而完成对差分信号采样放大的功能。因为运放自身的特性，其共模输入电压范围一般不会超过电源电压，因此，在运放的输入级前应用分压电阻对大共模信号与小差模信号进行比例缩小后进入运放输入级，在运放抑制共模电压后，再通过调节运放的增益网络对缩小的差模信号进行放大，以做到对输入共模电压进行抑制，对输入差模电压进行放大。

目前，典型差分放大器如图1所示：只要确保R1＝R2，R3＝R4就可以得到一个正、反相增益相同的差分放大器，其增益计算公式如下：

反相放大倍数：同相放大倍数：/>即只要满足R1＝R2,R3＝R4，同相放大倍数:/>

但是，这种典型差分放大器对于电阻的精度要求很高，电阻阻值的误差对于差分放大器的差模增益精度与抗共模电压能力影响十分巨大。而且，这种典型差分放大器要想做到大于电源电压的输入共模电压，就必须使得R1＝K×R3，R2＝K×R4，则相应的这时输入共模电压范围将扩大为K×Vcm。这也使得差分放大器的增益变为了1/K，相比原结构缩小了K倍，即这种典型差分放大器其共模输入电压参数与增益参数是互相矛盾的，不能做到在增大输入共模电压范围的特性下去增大整个差分放大器的增益。如果需要对输入信号进行放大就必须在差分放大器后新增加一级运算放大器，使得整个系统臃肿，成本高了一倍。

现有技术中，如图2所示，通过对典型差分放大器的结构进行优化，通过在典型差分放大器的反相输入端引入对地的电阻构成与同相输入端相同类型的输入分压网络，可以使得输入电压的共模输入范围进行放大，满足在一些应用中要求的大于电源电压的情况下进行信号采样分析处理的应用。但是，这种结构的差分放大器的差模增益与共模电压抑制能力仍然受到电阻精度的影响，且因为在反相端对地引入了一个新的电阻的连接形式，同相放大的公式计算也进行了改变，即这种新型的差分放大器对于电阻精度的要求变得更高了。

反相放大倍数：

同相放大倍数：

理论上共模输入电压范围满足：V_CM(max)＝V_CC*(R5/R1)，则只要将电阻R5与R1的比例关系放大，就能使得差分放大器的输入共模电压范围相应的扩大。但这也在增益公式中引入了电阻R5这项参数，对于电阻的精度要求更高了。

电阻网络的选择不仅对于差分放大器的增益与输入共模电压范围有关，与整个器件的输出零位电压、功耗等参数也有关。差分放大器选择的运放不同对于其工作特性也有重要影响。运算放大器因其设计、结构和工艺的不同，其电特性参数也各有不同，而在这款由精密电阻网络与运算放大器构成的精密差分放大器中，对于运算放大器的选择最重要的参数便是输入失调电压与失调电流、输入偏置电流、共模输入电压范围、共模抑制比和静态电流等。

因为所述差分放大器是先将输入信号缩小后再放大差模信号的工作原理，所以对于越需要高共模电压输入范围，其第二级的增益设置也将越大。这个增益网络不仅放大了所需要的差模信号，也将运算放大器自身的输入失调信号进行了放大。即运算放大器的失调参数不能较大，如果要满足高达200V的共模电压输入范围，增益设置初始为1并可调节增大，则0.1mV的失调电压也会带来快接近2mV的输出零位，失调电流也会与电阻网络设置的从运放输入端看进来的输入阻抗R1、R2共同影响带来新的输出零位，这个数据是不理想的，因此，对于要求高共模输入的增益可调节的差分放大器，必须选择失调电压超低的运算放大器，而且电阻R1、R2设置相等以减小失调电流的影响。

另外，电阻网络的设置对差分放大器能否正常工作也有影响。差分放大器工作时，输入高共模电压作用于分压电阻网络上，这时器件的功耗将主要来源于电阻上的功耗与运算放大器的静态功耗，而如果整个差分放大器的功耗较大，整个器件的温度特性与稳定性都将受到影响。因此，电阻网络选择阻值需要足够大，运算放大器选择静态电流需要足够小。但是人们常常忽略运算放大器正常工作时，输入信号带来的偏置电流应远远大于运放输入级自身的偏置电流，否则输出信号易收到运放自身偏置电流的影响而偏差较大，这也是在高精度、低信号的应用常采用仪表放大器而不使用普通高精度运算放大器的原因。即电阻网络中电阻R1、R2也不能选择过大，要根据选择的运算放大器的参数与要求的输入共模电压范围要求来进行折中设计。

因此，一种结构优化的高共模电压输入差分放大器亟待提出。

实用新型内容

为解决现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种高共模电压输入差分放大器。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

本实用新型提供一种高共模电压输入差分放大器，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四调节电阻R4、第五调节电阻R5和运算放大器，所述第一电阻R1、第三电阻R3、第五调节电阻R5的第一端与运算放大器的反向端电连接，所述第三电阻R3的第二端与运算放大器的输出端电连接，所述第五调节电阻R5的第二端接地；所述第二电阻R2、第四调节电阻R4的第一端与运算放大器的正向端电连接，所述第四调节电阻R4的第二端接地，所述第四调节电阻R4、第五调节电阻R5分别为由三个电阻形成的串并联网络。

优选的，还包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11，所述第四调节电阻R4由第六电阻R6与并联的第七电阻R7、第八电阻R8相串联构成，所述第六电阻R6的第一端与运算放大器的反向端电连接，所述第六电阻R6的第二端与第七电阻R7、第八电阻R8的第一端电连接，所述第七电阻R7、第八电阻R8的第二端接地；

所述第五调节电阻R5由第九电阻R9与并联的第十电阻R10、第十一电阻R11相串联构成，所述第九电阻R9的第一端与运算放大器的正向端电连接，所述第九电阻R9的第二端与第十电阻R10、第十一电阻R11的第一端电连接，所述第十电阻R10、第十一电阻R11的第二端接地。

优选的，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四调节电阻R4、第五调节电阻R5和运算放大器采用厚膜丝网印刷技术集成在电路板上。

本实用新型相较于现有技术，具有以下有益效果：

本实用新型中第四调节电阻R4、第五调节电阻R5分别采用三个电阻形成的串并联网络，通过小电阻串联一个大电阻和较大电阻的并联网络这样的结构，可以使得单个电阻网络的总电阻能够有效的进行0.1Ω单位级的精密的调节。从而使得第四调节电阻R4、第五调节电阻R5的阻值更接近通过理论设计得到的理想值，确保差分放大器的参数更优秀。同时，本实用新型可以得到只要调节第四调节电阻R4与第五调节电阻R5的比例满足一个关系，就可以使得两个增益公式结果相等，而没有必要设置固定的电阻值。从而实现共模电压输入范围大、低功耗、高精度、低噪声、低失调的功能。

另外，本实用新型采用厚膜丝网印刷技术进行集成，大大的提高了器件的可靠性，具有体积小、重量轻的优点，广泛应用于大电流检测、电机控制、隔离放大器、输入保护、同步解调器、电池供电系统等方面。而且，使用时可以直接安装使用，无需要增加其他外部元器件，方便用户直接使用。

附图说明

图1是本实用新型背景技术中典型差分放大器的电路示意图；

图2是本实用新型背景技术中优化后的差分放大器的电路示意图；

图3是本实用新型一种高共模电压输入差分放大器的电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“电连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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实用新型中的具体含义。

如图3所示，本实施例提供一种高共模电压输入差分放大器，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四调节电阻R4、第五调节电阻R5和运算放大器，所述第一电阻R1、第三电阻R3、第五调节电阻R5的第一端与运算放大器的反向端电连接，所述第三电阻R3的第二端与运算放大器的输出端电连接，所述第五调节电阻R5的第二端接地；所述第二电阻R2、第四调节电阻R4的第一端与运算放大器的正向端电连接，所述第四调节电阻R4的第二端接地，所述第四调节电阻R4、第五调节电阻R5分别为由三个电阻形成的串并联网络。

具体的，所述第四调节电阻R4由第六电阻R6与并联的第七电阻R7、第八电阻R8相串联构成，所述第六电阻R6的第一端与运算放大器的反向端电连接，所述第六电阻R6的第二端与第七电阻R7、第八电阻R8的第一端电连接，所述第七电阻R7、第八电阻R8的第二端接地；所述第五调节电阻R5由第九电阻R9与并联的第十电阻R10、第十一电阻R11相串联构成，所述第九电阻R9的第一端与运算放大器的正向端电连接，所述第九电阻R9的第二端与第十电阻R10、第十一电阻R11的第一端电连接，所述第十电阻R10、第十一电阻R11的第二端接地。

在本实施例中，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四调节电阻R4、第五调节电阻R5和运算放大器采用厚膜丝网印刷技术集成在电路板上。

在本实施例中，将第四调节电阻R4、第五调节电阻R5分别采用三个电阻形成的串并联网络，通过小电阻串联一个大电阻和较大电阻的并联网络这样的结构，可以使得单个电阻网络的总电阻能够有效的进行0.1Ω单位级的精密的调节。从而使得第四调节电阻R4、第五调节电阻R5的阻值更接近通过理论设计得到的理想值，确保差分放大器的参数更优秀。

与现有技术中典型差分放大器相比，本实施例的差分放大器具有了能够同时调节输入共模电压范围和增益的能力。通过设置第三电阻R3与第一电阻R1的比例便可以设置想要反相放大的增益关系，设置完增益关系后再去设置第四调节R4与第五调节电阻R5的关系，从而使得同相放大倍数相等于设置的反相放大增益关系。因此，我们可以得到只要调节第四调节电阻R4与第五调节电阻R5的比例满足一个关系，就可以使得两个增益公式结果相等，而没有必要设置固定的电阻值，其比例关系满足下公式：(设增益倍数为K，即R1＝R2＝K*R3)

K³R₅R₃+K²R₅R₄＝KR₅R₄+KR₄R₃+R₅R₄

即满足：

设计R4＝N*R5，则公式可化简为：

可以得到，R4与R5的组合值与选择的第三电阻R3和增益关系K有关。即第五调节电阻R5的初始值是可以任意进行选择的，而在将第五调节电阻R5确认后，在通过公式便能计算出第四调节R4的值，即第四调节电阻R4与第五调节电阻R5是具有多种选择性的。

对于输入共模电压范围的设置，其满足输入共模电压可达Vcm(运放)*R1/R5，即将输入共模电压范围扩大了运算放大器的输入共模电压范围R1/R5被，即只需要设置一个初始值R5满足与R1的比例后将输入共模电压范围扩大至所需要应用的，再通过需要的增益系数的计算公式计算出R4的值，最后经过调节就能得到一款适合工作与高共模电压输入的增益可设置调节的精密差分放大器。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高共模电压输入差分放大器，其特征在于，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四调节电阻R4、第五调节电阻R5和运算放大器，所述第一电阻R1、第三电阻R3、第五调节电阻R5的第一端与运算放大器的反向端电连接，所述第三电阻R3的第二端与运算放大器的输出端电连接，所述第五调节电阻R5的第二端接地；所述第二电阻R2、第四调节电阻R4的第一端与运算放大器的正向端电连接，所述第四调节电阻R4的第二端接地，所述第四调节电阻R4、第五调节电阻R5分别为由三个电阻形成的串并联网络。

2.根据权利要求1所述的高共模电压输入差分放大器，其特征在于，还包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11，所述第四调节电阻R4由第六电阻R6与并联的第七电阻R7、第八电阻R8相串联构成，所述第六电阻R6的第一端与运算放大器的反向端电连接，所述第六电阻R6的第二端与第七电阻R7、第八电阻R8的第一端电连接，所述第七电阻R7、第八电阻R8的第二端接地；

所述第五调节电阻R5由第九电阻R9与并联的第十电阻R10、第十一电阻R11相串联构成，所述第九电阻R9的第一端与运算放大器的正向端电连接，所述第九电阻R9的第二端与第十电阻R10、第十一电阻R11的第一端电连接，所述第十电阻R10、第十一电阻R11的第二端接地。

3.根据权利要求1所述的高共模电压输入差分放大器，其特征在于，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四调节电阻R4、第五调节电阻R5和运算放大器采用厚膜丝网印刷技术集成在电路板上。