差分放大器的多種應用

一、概述

目前市場上運算放大器的種類繁多，常用的便有通用型、精密運放、高輸入阻抗類型、高速型、低功耗型和高壓大功率型等多種運算放大器，每一種運放都具有其獨特的特性。工程師在選擇器件時要根據應用場合情況進行運放種類的選擇。而其中差分運放因其具有精度高、抗噪聲能力強的特點，常應用于信號采集傳輸的場合。

二、應用領域

1.輸入電壓范圍低于電源電壓的場合

在進行壓力/磁/溫度惠斯通橋的兩端信號的采集與處理的應用時，因為其輸入電壓范圍低于供電電壓的特點，這時就可以使用儀表放大器進行信號采集處理。

儀表放大器因其高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調漂移與增益可調節(jié)的特點使得其在微弱信號采集、傳感器信號放大的應用方面倍受青睞。航晶公司目前已經完成了儀表放大器HJG620、HJG826、HJG118、HJG128、HJG333和HJ52301系列等器件的研發(fā)設計并已經得到了廣泛應用并能夠對進口器件AD620、INA826、INA118、INA128、INA333和MII-52301器件進行完全國產化替代。

圖1 儀表放大器典型原理框圖

但在進行儀表放大器的應用時要注意器件的應用環(huán)境條件，應用條件不合適就會導致器件的功能參數受到影響，使得器件的輸出誤差變大。

儀表放大器的應用REF端輸入可以對輸出信號進行偏置調節(jié)，但要注意REF端的輸入信號要具有低輸出阻抗并具有吸收電流和拉出電流的能力，這樣才能使得器件的輸出誤差得到保證。即應用運放進行緩沖輸入REF端或應用基準電壓源進行REF端電壓設置可以保證小的輸出誤差，而應用電阻分壓式處理或者LDO的方式將會使得器件的輸出誤差變大，采集精度變低。

儀表放大器的工作范圍是取決于共模電壓、增益和REF引腳端電壓的，即輸入共模的大小對于器件的工作特性時具有影響的，這種關系被稱為儀表放大器的鉆石圖。這種受共模電壓影響的特性在儀表放大器處于單電源應用時要格外注意。

圖2 儀表放大器單電源工作典型鉆石圖

從上圖中可以看到，單電源工作的儀表放大器設置較大輸出時，其輸入共模電壓范圍就會很窄在一般電源電壓處，這時如果在輸入端要想采集較小的電壓信號就必須在REF端加上新的偏置電壓，可以使得輸入共模電壓范圍相應變寬。

2.輸入電壓范圍大于電源電壓的共地系統（common  GND）

當輸入電壓大于電源電壓時，這時就不能使用上述的儀表放大器進行信號采集處理，而要選擇差分放大器進行工作。

圖3 差分放大器典型原理框圖

差分放大器通過先將輸入電壓等比例縮小，再在內部重新進行增益網絡的設置以最終得到一個固定增益，通過這種電氣連接結構能夠使得整個器件的輸入電壓范圍放大以至于能夠超過電源電壓。差分放大器的外圍電阻設計時采用低溫漂的薄膜材料以能夠得到優(yōu)秀的溫度特性，使得器件輸出誤差對溫度變化的影響較小，能夠保持高精度的輸入信號采集處理。且因為差分放大器的輸入電阻較大，則器件不容易受到白噪聲與輸入紋波的影響，以至于在不需要進行電源隔離的情況下，不需要進行多余濾波網絡和隔離網絡的設置，差分放大器能夠替代隔離放大器的應用，這極大的減小了整個系統的成本。

航晶公司目前已經完成了HJ133A、HJINA148與HJ629等差分放大器的研發(fā)設計，能夠對進口型號INA133、INA148與AD629差分放大器進行完全國產化替代。且該種類產品已經受到客戶的大量采購與應用實踐。

3.輸入電壓范圍大于電源電壓的不共地系統（galvanic  isolation）

    由于不共地，因而被測信號往往是寄生在復雜的共、差模干擾中，且伴隨由共模瞬變干擾。

圖4 隔離放大器典型原理框圖

隔離放大器是一種特殊的測量放大電路，其輸入、輸出和各電源電路之間是沒有直接電路耦合的，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端，器件的輸入與輸出之間是具有電氣隔離的，是一種能夠對各種信息信號進行變送、隔離、放大、運傳的集成電路，能夠完成在復雜電磁環(huán)境的工況環(huán)境下對微弱的輸入信號進行隔離放大輸出的功能。

因其內部具有電氣隔離的設計，隔離放大器的共模瞬態(tài)抑制能力普遍較強，當輸入信號上具有瞬間大電壓變化時，超高的共模瞬態(tài)抑制能力會使得這種變化不會作用于器件的輸出上，即即使輸入端出現了破壞性的電壓變化，器件的性能也不會受損。因為采用了電源隔離的工作模式，隔離放大器也能夠消除測量時有接地環(huán)引起的測量誤差，使得測量精度更高。即隔離放大器具有更高精密的采集微弱信號并放大的能力。

航晶公司目前已經完成了HJ278和HJ5B40系列等隔離放大器的研發(fā)設計，能夠對進口型號ADI-5B40隔離放大器進行完全國產化替代。其中HJ5B40系列輸入與輸出之間隔離耐壓可達4242V。該種類產品已經受到客戶的大量采購與應用實踐。