电路分析：差分运算放大电路的"偏移计算"

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差分运算放大电路，对共模信号得到有效抑制，而只对差分信号进行放大，因而得到广泛的应用。
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差分电路的电路构型
- L9 v; t" Y5 _: z
5 I: C" M" L$ z

图1 差分电路

2 H2 r6 A; q) `! h) A目标处理电压：是采集处理电压，比如在系统中像母线电压的采集处理，还有像交流电压的采集处理等。
差分同相/反相分压电阻：为了得到适合运放处理的电压，需要将高压信号进行分压处理，如图1中V1与v2两端的电压经过分压处理，最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。

9 }3 S9 k- l8 o9 s: N$ H# c/ M差分放大电路：
反馈，对于运算放大电路来说，运放工作在线性区，所以这里一定是负反馈，没有反馈（开环）或者是正反馈，那是比较器电路而不是放大电路，这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区，正因为饱和，输出才是电源电压的幅值。

" n" ~# x8 _5 e0 K图2是一种带正反馈的运放电路，这里就不能叫运算放大电路了，因为运放的开环放大倍数理想是无限大，当然实际中不可能无限大，所以如下结构是迟滞电压比较器，运放工作在非线性区或饱和区。

# U( l$ a' m: p$ w6 Q: t6 J图2

图3，依然是电压比较器结构，上面已经提到，运放开环增益很大，不带负反馈，工作就如非线性区，当做电压比较器来使用。
7 t+ t7 U0 w* l) z) R( Q+ [. i. p  v
6 _) |! l$ T/ d  B6 Q

图3

! d% O8 ?9 d. ]+ R) ~' V运算放大器，反馈电阻从输出接到反相端"-"就是负反馈，当然在输出信号不超过电源电压时（注：一切信号的能量来源是电源，输出当然不可能超过电源幅值），实现的功能就是放大信号的功能；接到同相端"+"就是正反馈，电路功能是电压比较器。当然在实际当中我们并不提倡用运放去做电压比较器，而是选用专用的比较器，如LM339、LM393、LM211等，因为比较器和运放在实际当中内部器件的工作状态还是有区别的。
' E* f' N/ E- W3 d! o; J
1 F% Q$ Y1 k7 y比较器接了限流电阻—"R74、R77"，这是因为比较器在幅值切换时，快速上升或下降沿对后级容性负载进行充放电，这个充放电电流确来自这个有源器件—比较器，因此加限流电阻目的是防止电流冲击。
: I% e+ [6 m: }% O
RC滤波：可以酌情调节，目的是防止输出过冲等信号失真问题
; @. o9 ]( m# I0 T差分输入电压的计算
9 u: n8 O- g/ H% O) b图4电路，为了便于计算，我们给定每个阻值。
差分电路的另一个特点是对称性，R40=R56及R47=R55，差分分压两个支路电阻也是相等的。
! {3 s& ^9 U% B* G( B# V1 G4 ~( J
0 I# f* G, L; z% y

图4
7 t% L6 `/ D) j
Vin+和Vin-的值是如何计算的？
我们先通过繁琐的计算来得到，然后再简化计算。
" i  n& q* R1 m9 ^/ j
1 a8 {: f% u% y8 U5 ]首先，运放的同相端5引脚和反相端6引脚，利用"虚短"得到，其中系数6是指6个100k的电阻，方便简化式子：

- M( `1 r/ B' i

* j4 N9 |% M% A那么通过分压关系得到Vin+：

2 X. c$ j5 T- h) G5 i

再次通过分压关系得到Vin-：
3 C! t. C& \2 c$ Y3 D; ~  E: S
0 G* c0 ]# h. p

5 V1 y8 G1 w3 f# P! Y6 Y, W0 i! A那么就得到Vin+减Vin-的值。
9 [5 b2 y0 G$ @
其实还有一种简单方法得到Vin+减Vin-的值，利用运放的虚短特点，可将电路等效为：

图5
4 \* n0 [+ b% C* Y3 G; C

& k/ N2 C, k! p( w图6
8 C' \1 x5 {5 W& A: R/ c: r. Z
0 e3 X7 u/ K2 B* l所以要计算Vin+减Vin-的值，变得很容易，只是一个简单的分压电路而已，如下计算得到：
' K% j6 l" N% x7 Q  {. N# y+ O0 {

8 M7 {) }) d4 j; Y6 T得到差分电压输入值是0.84V。
) [1 n! C  |7 x8 g/ M: w# `% ]+ M
差分放大电路的计算
4 e, J5 B$ c* z- m1 ]

图7
6 ~7 E" ^, B, V3 e
计算公式推导，依旧遵循运放的虚短和虚断特性，当R56=R40，R47=R55时，差分计算可以简化为：
5 r/ v) {, p$ m

实际应用电路中，我们为了简化计算，也是用最简方法计算，经常使用的电路也是上述电路，令电阻相等关系，简化计算。

) o9 y7 P& ~0 s/ K7 n放大电路的"偏移计算"
; V* t0 `0 v/ z( \) `9 U5 C$ |为什么要对输出电压进行偏移？这是因为如当采集负值时，我们的采样芯片和mcu几乎都不支持负值采样的时候，你就必须进行偏移，使得输出总是为正值。

, q) X" t& M" f偏移电路，如图8，在原来同相端电阻接地GND的地方，我们接一个电压值，通常也称为偏移电压。那么最终表达式是什么？

( s. e/ M1 d/ O8 k5 W" D  ~图8

7 Q% A1 l* c- G' ^' F' u1 J通过叠加定理最终得到：
; U' r1 @9 u2 \9 ?, X
2 d# O& E5 I' Y. u

( L0 S! o( y( a, Z7 G% m& |& Q' q这里公式的成立，保证R64=R72，R73=R57，那么最终得到偏移公式是在原来基础上加个电压偏移量2.5V_Ref：
# _  @. D" r9 n
6 M) T3 I# {9 t: C- S5 |6 e

# f8 \5 N  W$ V; s& `/ l2 z
只要根据实际应用选择合适的偏移量，输出总会为一个正值。

) w- v  {2 u7 Y; s7 @5 l/ g9 Y图9
; ^: V5 h' b- Z# s$ L
比如，图9电路，输入电压变为-100V，那么最终输出电压就为：
$ z; l5 i: V! B& T" e
$ H- m. Q3 \8 N+ a

/ q) q! G6 D- R' j- ^0 r
0 d) V4 |1 f( _5 V- S这样就将负电压偏移为正电压，处理器符合处理器处理要求了，偏移电路在采集如交流电、以及存在负直流电压的控制电路中广泛使用。
# o% o3 J' L6 s& m+ N

wushy

反馈，对于运算放大电路来说，运放工作在线性区，所以这里一定是负反馈，没有反馈（开环）或者是正反馈，那是比较器电路而不是放大电路，这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区，正因为饱和，输出才是电源电压的幅值。