設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說明

此電路使用兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)建分立式單電源差分輸入差分輸出放大器。電路將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)。

設(shè)計(jì)說明

1. 驗(yàn)證 R₁ 和 R₂ 完美匹配高精度電阻器，從而保持高直流共模抑制性能。
2. 增加 R₄ 和 R₅ 以匹配必要的輸入阻抗，但這樣做會(huì)降低熱噪聲性能。
3. 從 V_cc 到地的分壓器也會(huì)導(dǎo)致單電源運(yùn)行發(fā)生偏置。
4. V_ref 將儀表放大器偏置的輸出電壓設(shè)置為 1/2 Vs，用于確保輸出可以擺動(dòng)至兩個(gè)電源軌。
5. 選擇 C₁ 和 C₂ 以選擇截止頻率下限。
6. 能否以線性模式運(yùn)行取決于所使用的分立式運(yùn)算放大器的輸入共模和輸出擺幅范圍。線性輸出擺幅范圍在運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中 AOL 測(cè)試條件下指定

設(shè)計(jì)步驟

1. 電路的傳遞函數(shù)如下所示。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{oDiff}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}\times \mathrm{G}+{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}} \\ \mathrm{where} {\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}=\mathrm{the} \mathrm{differential} \mathrm{input} \mathrm{voltage} \\ {\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}=\mathrm{the} \mathrm{reference} \mathrm{voltage} \mathrm{provided} \mathrm{to} \mathrm{the} \mathrm{amplifier} \\ \mathrm{G}=1+2\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_3}\right) \end{gathered}$$
2. 選擇電阻器 R₁ = R₂ 以保持共模抑制性能。
   $\mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_2=\text{20 }\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
3. 選擇電阻器 R₄ 和 R₅ 以實(shí)現(xiàn)所需的輸入阻抗。
   $\mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_4={\mathrm{R}}_5=\text{10 }\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
4. 計(jì)算 R₃ 以設(shè)置差分增益。
   $$\begin{gathered} \mathrm{Gain}=1+\left(\frac{2\times {\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_3}\right)=\text{5 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \\ {\mathrm{R}}_1 ={\mathrm{R}}_2= \text{20 }\mathrm{k}? \\ \mathrm{G}=1+\frac{{\displaystyle 2\times \text{20 }\mathrm{k\Omega }}}{{\displaystyle {\mathrm{R}}_3}}=\text{5 }\frac{{\displaystyle \mathrm{V}}}{{\displaystyle \mathrm{V}}}\to \text{5 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}-1=\frac{{\displaystyle \text{40 }\mathrm{k\Omega }}}{{\displaystyle {\mathrm{R}}_3}}=4\to {\mathrm{R}}_3=\frac{{\displaystyle \text{40 }\mathrm{k\Omega }}}{{\displaystyle 4}}=\text{10 }\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
5. 將基準(zhǔn)電壓 V_ref 設(shè)置為 1/2 Vs。
   ${\text{V}}_{\mathrm{ref}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}}{2}=\frac{\text{5 }\mathrm{V}}{2}\to {\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}=2.5\mathrm{V}$
6. 計(jì)算 C₁ 和 C₂ 以設(shè)置截止頻率下限。
   $$\begin{gathered} {\text{f}}_{\mathrm{c}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_4\times {\mathrm{C}}_1}=\text{16 }\mathrm{Hz} \\ {\mathrm{R}}_4={\mathrm{R}}_5=\text{10 }\mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times \text{10 }\mathrm{k\Omega }\times {\mathrm{C}}_1}=\text{16 }\mathrm{Hz}\to {\mathrm{C}}_1=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times \text{10 }\mathrm{k\Omega }\times \text{16 }\mathrm{Hz}}=0.99\mathrm{\mu F}\to {\mathrm{C}}_1={\mathrm{C}}_2=1\mathrm{\mu F} (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$

設(shè)計(jì)仿真

交流仿真結(jié)果

請(qǐng)注意看下圖，根據(jù)此設(shè)計(jì)的要求，–3-dB 截止頻率下限約為 16Hz，而截止頻率上限在 1MHz 以上。

瞬態(tài)仿真結(jié)果

參考資料

德州儀器 (TI)，SBOMAU5 SPICE 仿真，文件下載

設(shè)計(jì)特色運(yùn)算放大器

設(shè)計(jì)備選運(yùn)算放大器