利用放大器調整輸出信号的共模電壓——放大器電路設計思路（圖文）

放大器調整輸出信号共模電壓——放大器電路設計思路

• 放大器必須掌握的知識
• 明确設計要求
• • 設計要求
  • 波形示意圖
• 設計一個符合要求的放大器電路應該怎麼思考
• • 心路曆程
  • 靈魂解法
• 注意事項
• 仿真
• • 方法1
  • 方法2
  • 方法3
• 總結與展望

放大器必須掌握的知識

• 關于放大器中的SR參數.
• 放大器，還是衰減器，或兩者皆可？.
• 再談運放SlewRate-SR.
• CMRR在測量差分小信号時的重要性——輸出誤差分析.
• 運算放大器為什麼不能用作比較器.

明确設計要求

設計要求

• 有兩路差分信号，假設為sin+/sin-，信号Vpp=0.5V，共模電壓=2.5V，要求把差分信号±sin轉成單端信号sin，且波形幅值範圍在[0, 3.3V]。

波形示意圖

設計一個符合要求的放大器電路應該怎麼思考

心路曆程

• step1：

  明确輸入波形的最大頻率f，最大峰峰值Vpp，能用表達式表示出來那就更好了。例如本文中提出的差分sin，其實是光栅編碼器讀數頭在供電5V時輸出的單路共模電壓=2.5V，峰峰值=0.5Vpp的sin波，那就很好用表達式表述：

  sin+ = 0.25sin(θ)+2.5；

  sin- = -0.25sin(θ)+2.5;

• step2：

  對輸出波形的要求，就是說想輸出什麼樣的波形，能用表達式表示出來更好。例如本文中要求的輸出波形的共模電壓=1.65V，峰峰值=3.3Vpp，那是因為ADC的輸入信号滿量程範圍是[0—3.3V].于是也可以用表達式描述：

  sin = 1.65sin(θ)+1.65;

• step3：

  放大器選型。（根據項目需求的不同，放大器的選型嚴格程度也不同，不得不承認那是個技術活，主要是那幾個參數壓擺率SR，滿功率帶寬積FPBW，偏置電壓Offset voltage等等，不是本文重點，不做展開講解，以後用實際項目再解釋放大器選型）

• step4:

  那麼問題來了，怎麼樣才能将輸入波形從共模電壓2.5V給降到1.65V呢？于是就會這麼想，放大器可以組成很多功能的電路，比如反相放大器器，正向放大器，加法器，積分器，減法器。。。，好像減法器有戲。那減法器長什麼樣子呢？從網上找一個标準的減法器，如下圖（其實是我畫的）。

  

• step5：

  減法器好像能行，那怎麼确定那些阻值呢？其實上面那個圖基本上就是差分放大器内部結構。

  （其實像這種差分轉單端的應用，有專門的差分放大器可用，基本上就是Vout=A-B，倍數也可以調，但也同樣面臨電阻值設定的問題）

靈魂解法

• 已經知道了輸入輸出的表達式；
• sin(θ)有最大值1，此時應該對應輸出的最大值3.3V，最小值-1應該對應輸出最小值0；
• 那麼我們有兩個已知條件，可以求出兩個未知數，即電路中的兩個未知電阻值；
• 人為設定R1=R2=10kΩ，一方面10這個數字好計算，兩一方面阻值太大會引入電阻熱噪聲甚至大幅削弱信号能量，比如用個1GΩ，那信号就阻斷了，太小了可能會讓放大器震蕩，有時候datasheet會推薦這個阻值，有時候憑着經驗覺得這個值就行，那就這個值吧（我在實際中測試過了，可行）。令R3=xkΩ，R4=ykΩ；如下圖

  

• 虛短虛斷利用起來，得到Vout的表達式；我已經算好了：

  

  把值帶進去就得到：

  

  前面已經提到有兩個已知條件：

  當sin(θ)=1時，Vout=3.3，

  當sin(θ)=-1時，Vout=0；

  帶入公式中，是不是有國中學的二進制一次方程組内味了。

• 我們用matlab解二進制一次方程組：

syms x y;
[x y]=solve((x*(10+y))/(10*(10+x))*(0.25+2.5)-y/10*(-0.25+2.5)==3.3,(x*(10+y))/(10*(10+x))*(-0.25+2.5)-y/10*(+0.25+2.5)==0)
           

得到：x=106.7647kΩ，y=29.7kΩ；

注意事項

• 本文用的是rail-to-rail 放大器，ADI公司的AD8544

仿真

方法1

用TI的TINA軟體仿真，選用rail-to-rail 放大器進行仿真；

方法2

用matlab仿真，不是用Simulink，而是仿真用虛短虛斷求出來的Vout公式，

%共模2.5V
sin_p=0.25.*sin(x)+2.5;	%sin+表達式
sin_n=-0.25.*sin(x)+2.5; %sin-表達式
sin=3.63.*sin_p-2.97.*sin_n; %Vout表達式，3.63/2.97是把已知值帶進去直接算出來的
plot(sin_p)
hold on
plot(sin_n)
hold on
plot(sin)
max(sin)
min(sin)
           

由上圖可以看出，求出的R3,R4的值可以滿足我們需要的範圍[0, 3.3V]。

方法3

實際搭電路測試。我是直接用光栅讀數頭輸出的差分sin進行電路測試，實際結果跟matlab仿真結果基本一緻。

總結與展望

• 本文中設計要求輸出範圍在[0, 3.3V],在設計時不會把輸出值卡的正好，都會留出一定的裕量，例如這次我隻把輸出範圍調在了[0.1, 3.2V],這樣可以增加系統的魯棒性；
• 一切的仿真都是理論，一定要搭電路測試電路子產品的正确性，然後再內建到系統中；
• 放大器電路的設計思路一般都是從後往前推；