差分放大器的多种应用

一、概述

目前市场上运算放大器的种类繁多，常用的便有通用型、精密运放、高输入阻抗类型、高速型、低功耗型和高压大功率型等多种运算放大器，每一种运放都具有其独特的特性。工程师在选择器件时要根据应用场合情况进行运放种类的选择。而其中差分运放因其具有精度高、抗噪声能力强的特点，常应用于信号采集传输的场合。

二、应用领域

1.输入电压范围低于电源电压的场合

在进行压力/磁/温度惠斯通桥的两端信号的采集与处理的应用时，因为其输入电压范围低于供电电压的特点，这时就可以使用仪表放大器进行信号采集处理。

仪表放大器因其高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移与增益可调节的特点使得其在微弱信号采集、传感器信号放大的应用方面倍受青睐。航晶公司目前已经完成了仪表放大器HJG620、HJG826、HJG118、HJG128、HJG333和HJ52301系列等器件的研发设计并已经得到了广泛应用并能够对进口器件AD620、INA826、INA118、INA128、INA333和MII-52301器件进行完全国产化替代。

图1 仪表放大器典型原理框图

但在进行仪表放大器的应用时要注意器件的应用环境条件，应用条件不合适就会导致器件的功能参数受到影响，使得器件的输出误差变大。

仪表放大器的应用REF端输入可以对输出信号进行偏置调节，但要注意REF端的输入信号要具有低输出阻抗并具有吸收电流和拉出电流的能力，这样才能使得器件的输出误差得到保证。即应用运放进行缓冲输入REF端或应用基准电压源进行REF端电压设置可以保证小的输出误差，而应用电阻分压式处理或者LDO的方式将会使得器件的输出误差变大，采集精度变低。

仪表放大器的工作范围是取决于共模电压、增益和REF引脚端电压的，即输入共模的大小对于器件的工作特性时具有影响的，这种关系被称为仪表放大器的钻石图。这种受共模电压影响的特性在仪表放大器处于单电源应用时要格外注意。

图2 仪表放大器单电源工作典型钻石图

从上图中可以看到，单电源工作的仪表放大器设置较大输出时，其输入共模电压范围就会很窄在一般电源电压处，这时如果在输入端要想采集较小的电压信号就必须在REF端加上新的偏置电压，可以使得输入共模电压范围相应变宽。

2.输入电压范围大于电源电压的共地系统（common  GND）

当输入电压大于电源电压时，这时就不能使用上述的仪表放大器进行信号采集处理，而要选择差分放大器进行工作。

图3 差分放大器典型原理框图

差分放大器通过先将输入电压等比例缩小，再在内部重新进行增益网络的设置以最终得到一个固定增益，通过这种电气连接结构能够使得整个器件的输入电压范围放大以至于能够超过电源电压。差分放大器的外围电阻设计时采用低温漂的薄膜材料以能够得到优秀的温度特性，使得器件输出误差对温度变化的影响较小，能够保持高精度的输入信号采集处理。且因为差分放大器的输入电阻较大，则器件不容易受到白噪声与输入纹波的影响，以至于在不需要进行电源隔离的情况下，不需要进行多余滤波网络和隔离网络的设置，差分放大器能够替代隔离放大器的应用，这极大的减小了整个系统的成本。

航晶公司目前已经完成了HJ133A、HJINA148与HJ629等差分放大器的研发设计，能够对进口型号INA133、INA148与AD629差分放大器进行完全国产化替代。且该种类产品已经受到客户的大量采购与应用实践。

3.输入电压范围大于电源电压的不共地系统（galvanic  isolation）

    由于不共地，因而被测信号往往是寄生在复杂的共、差模干扰中，且伴随由共模瞬变干扰。

图4 隔离放大器典型原理框图

隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和各电源电路之间是没有直接电路耦合的，即信号在传输过程中没有公共的接地端，器件的输入与输出之间是具有电气隔离的，是一种能够对各种信息信号进行变送、隔离、放大、运传的集成电路，能够完成在复杂电磁环境的工况环境下对微弱的输入信号进行隔离放大输出的功能。

因其内部具有电气隔离的设计，隔离放大器的共模瞬态抑制能力普遍较强，当输入信号上具有瞬间大电压变化时，超高的共模瞬态抑制能力会使得这种变化不会作用于器件的输出上，即即使输入端出现了破坏性的电压变化，器件的性能也不会受损。因为采用了电源隔离的工作模式，隔离放大器也能够消除测量时有接地环引起的测量误差，使得测量精度更高。即隔离放大器具有更高精密的采集微弱信号并放大的能力。

航晶公司目前已经完成了HJ278和HJ5B40系列等隔离放大器的研发设计，能够对进口型号ADI-5B40隔离放大器进行完全国产化替代。其中HJ5B40系列输入与输出之间隔离耐压可达4242V。该种类产品已经受到客户的大量采购与应用实践。