設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計說明

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

設(shè)計說明

1. 驗證 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，但這樣做會降低熱噪聲性能。
3. 從 V_cc 到地的分壓器也會導(dǎo)致單電源運行發(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至兩個電源軌。
5. 選擇 C₁ 和 C₂ 以選擇截止頻率下限。
6. 能否以線性模式運行取決于所使用的分立式運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算放大器數(shù)據(jù)表中 AOL 測試條件下指定

設(shè)計步驟

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)計仿真

交流仿真結(jié)果

請注意看下圖，根據(jù)此設(shè)計的要求，–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)計特色運算放大器

設(shè)計備選運算放大器