Почему выходное напряжение должно быть смещено? Анализ принципов дифференциальной схемы

Конфигурация схемы дифференциальных цепей

Целевая обрабатываемая напряжение:Это относится к сбору и обработке напряжений, таких как сбор и обработка шины напряжений в системе, а также сбор и обработка переменных напряжений.

Резисторы делителя напряжения в дифференциальном режиме:Чтобы получить напряжение, подходящее для обработки операционным усилителем, высоковольтные сигналы необходимо разделить. Как показано на рисунке 1, напряжения на V1 и V2 обрабатываются через деление напряжения, в конечном итоге давая напряжения Vin+ и Vin-, подходящие для обработки операционным усилителем.

Схема дифференциального усилителя:

Обратная связь для схем операционных усилителей, операционный усилитель работает в линейном режиме, поэтому здесь должна быть отрицательная обратная связь. Без обратной связи (открытая петля) или с положительной обратной связью это является компараторной схемой, а не усилительной схемой. В этот момент операционный усилитель работает в области насыщения или нелинейной рабочей области, и из-за насыщения выходное напряжение является амплитудой напряжения источника питания.

Рисунок 2 показывает схему операционного усилителя с положительной обратной связью, которую больше нельзя назвать схемой операционного усилителя, потому что идеальное открытое усиление операционного усилителя бесконечно. Конечно, на практике оно не может быть бесконечным, поэтому показанная структура является гистерезисным напряженческим компаратором, где операционный усилитель работает в нелинейной или области насыщения.

Рисунок 3 все еще является структурой напряженческого компаратора. Как упоминалось выше, открытое усиление операционного усилителя очень велико, и без отрицательной обратной связи он работает как нелинейная область, используемая в качестве напряженческого компаратора.

Операционный усилитель, когда резистор обратной связи подключен от выхода к инвертирующему входу "-", это отрицательная обратная связь. Конечно, когда выходной сигнал не превышает напряжение источника питания (Примечание: источник энергии для всех сигналов - это источник питания, поэтому выход не может превышать амплитуду источника питания), достигаемая функция - это усиление сигнала. Подключение к неинвертирующему входу "+" - это положительная обратная связь, и функция схемы - это напряженческий компаратор. На практике мы не рекомендуем использовать операционные усилители в качестве напряженческих компараторов, а скорее выбирать специализированные компараторы, такие как LM339, LM393, LM211 и т.д., потому что рабочие состояния внутренних компонентов в компараторах и операционных усилителях все еще различны.

Компаратор подключен с ограничивающими резисторами - "R74, R77". Это потому, что когда компаратор переключает амплитуду, быстрое нарастание или падение заряжает и разряжает последующую емкостную нагрузку. Этот зарядный и разрядный ток поступает от этого активного устройства - компаратора, поэтому цель добавления ограничивающих резисторов - предотвратить скачки тока.

RC фильтрация:Может быть отрегулировано по мере необходимости, с целью предотвращения превышения выходного сигнала и других проблем с искажением сигнала.

В схеме на рисунке 4, для удобства расчетов, мы указываем каждое значение сопротивления.

Еще одной характеристикой дифференциальных цепей является симметрия: R40=R56 и R47=R55, и резисторы в двух ветвях дифференциального делителя напряжения также равны.

Как рассчитываются значения Vin+ и Vin-?

Сначала мы получаем их через утомительные расчеты, а затем упрощаем расчеты.

Сначала, используя концепцию "виртуального короткого замыкания" для неинвертирующего вывода 5 и инвертирующего вывода 6 операционного усилителя, где коэффициент 6 относится к шести 100k резисторам, чтобы упростить выражение:

Затем, через соотношение деления напряжения, мы получаем Vin+:

Снова, через соотношение деления напряжения, мы получаем Vin-:

Таким образом, мы получаем значение Vin+ минус Vin-.

На самом деле,существует еще один простой метод.Чтобы получить значение Vin+ минус Vin-, используя характеристики виртуального короткого замыкания операционного усилителя, схему можно эквивалентно представить как:

Поэтому расчет значения Vin+ минус Vin- становится очень простым; это просто простая схема делителя напряжения, как рассчитано ниже:

Дифференциальное входное напряжение составляет 0.84V.

Расчеты для схемы дифференциального усилителя.

Вывод формулы расчета все еще следует характеристикам виртуального короткого замыкания и виртуального открытого замыкания операционного усилителя. Когда R56=R40 и R47=R55, дифференциальный расчет можно упростить до:

В практических приложениях схем, чтобы упростить расчеты, мы также используем самый простой метод для расчетов. Обычно используемая схема также является вышеуказанной схемой, позволяя резисторам быть равными для упрощения расчетов.

"Расчет смещения" схемы усилителя.

Почему нам нужно смещать выходное напряжение?Это потому, что при сборе отрицательных значений наши чипы выборки и МК почти не поддерживают выборку отрицательных значений, поэтому необходимо выполнить смещение, чтобы гарантировать, что выход всегда положителен.

Схема смещения, как показано на рисунке 8, где мы подключаем значение напряжения к исходному неинвертирующему резистору, заземленному на GND, что обычно также называется смещением напряжения. Так каково окончательное выражение?

Применяя теорему суперпозиции, мы в конечном итоге получаем:

Действительность этой формулы гарантирует, что R64=R72 и R73=R57, поэтому окончательная формула смещения добавляет напряжение смещения 2.5V_Ref к исходной основе:

При условии, что подходящее значение смещения выбрано на основе фактических приложений, выход всегда будет положительным значением.

Например, в схеме на рисунке 9, если входное напряжение изменится на -100V, то окончательное выходное напряжение будет:

Это смещает отрицательное напряжение в положительное напряжение, соответствуя требованиям обработки процессора. Схема смещения широко используется в сборе переменного тока и в управляющих схемах с отрицательными постоянными напряжениями.