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1、总第 224期 2008年第 6期计算机与数字工程Computer & D igital EngineeringVo l. 36 No. 6673集成运算放大器在差分信号处理中的应用刘松江陶翼(武汉数字工程研究所 武汉430074)摘 要 详细研究几种基于集成运算放大器的差分运算电路 。通过讨论输入失调电流对集成运算放大器输出的影 响 ,推导出集成运算放大器外围阻抗的最佳取值关系 。关键词 集成运算放大器 输入失调电流 外围阻抗中图分类号TN722. 7App lication of Operational Amp lifier on Processing D ifferential S ig
2、nalL iu SongjiangTao Y i(W uhan D ig ita l Engineering Institute, W uhan 430074)A b s t ra c t S everal differential operational circuits based on the operational am p lif ier are researched in detail. A f te r discus2 s ing how the input offset current influences the output of operational am p lif
3、ier, the op tim al re la tionship be tw een peripheral im ped2 ance is obtained.Ke y w o rd soperational am p lif ier, input offset current, peripheral im pedance C la s s N um b e r TN 722. 71引言集成运算放大器是模拟电路中应用最广泛和灵 活的器件 ,能组成实现各种功能和特性的线性或非 线性电路 。理想运算最主要的特点有 :开环电压增 益无限大 ,输入阻抗无限大 ,零输出阻抗 ,零输入失 调电压 ,共模抑
4、制比无限大 ,带宽无限大 。而实际集成运算放大器是非理想的 ,如开环增益及输入阻抗2基本运算电路2. 1 同相差分放大器 2 图 1 表 示 的是同相差分 放大器的示意 图。经 过 同 相 差分放大器后 , 输入差分信号均为有限值 ,失调电流和失调电压也不可能为零等。 差分信号相比单端信号有以下几个优点 1 :图 1 同相差分放大器示意图转化成单端信号 , 且信号幅度经过一定幅度放大 (或缩小 ) 。图中 , Vin表示输入1)差分信号对外部电磁干扰是高度免疫的 ; 2 )差差分信号 (V= V- V, R、R 、R 、R 表示集成in+- )ff分信号有利于识别微小信号 ; 3 ) 单端输入
5、系统的信号要依靠虚地 ,而差分信号不需要虚地 ,提高了 双极型信号的保真度和稳定性 ; 4 )差分信号时序运算放大器外围电阻 (其中 Rf 表示反馈电阻 ) , V0表示输出单端信号 , Vref表示参考电平。 根据理想运算放大器的“虚短 ”和“虚断 ”特性,可得定位精确 。因此 ,差分信号在实际工程应用中得到了广泛的应用 ,如数模转换的前端经常会对差分信 号进行一定预处理 ,采用集成运算放大器简单而又 有效 。基于单端信号运算电路 ,本文对几种基本的 差分信号运算电路进行了详细研究 。 V - - VA R V + - VBR VA =VB VA - V0=Rf VB - V ref=R f
6、( 1)3 收稿日期 : 2008年 3月 2日 ,修回日期 : 2008年 3月 27日作者简介 :刘松江 ,男 ,硕士研究生 ,助理工程师 ,研究方向 :嵌入式系统开发和数字信号处理 。陶翼 ,助理工程师 ,研 究方向 :嵌入式 L inux系统。68刘松江等 :集成运算放大器在差分信号处理中的应用第 36卷由上式可得 2R f Vo =NV i +Vref( 9)0 = R (R + R )ff+ff-V1R (R + R ) V- R (R + R ) V f R ( R + R f )R + Rf i = 12. 4 差分减法器接合同相差分放大器和反相差分放大器 , 可以+R ( R
7、 + R f )Vref( 2)得到如图 4所示的差分减法器 。根据“虚短 ”“虚由式 ( 2)可以看出 , 要使输入差分信号 Vin转为单端信号 , 需要满足 R f ( R + Rf ) = Rf ( R + R f ) ,断 ”理论 , 在满足式 ( 3)的前提下 , 可得 2R f 即 : R = R RfR f( 3)Vo =(V1 - V2 ) +Vref( 10)R + R f或 2R f将式 ( 3)代入式 ( 2) , 可得 : 2R f Vo =R + Rf(V1 - V2 ) +Vref( 11)Vo =或R + R fVin +Vref( 4) 2R f Vo =R +
8、 RfVin +Vref( 5)从 ( 4) 、( 5)两式可以看出 , 图 1 中的差分放大 器除了对差分输入信号同相放大以外 , 还可以根据 实际要求叠加参考电平 Vref 。2. 2 反相差分放大器将图 1 中的差分正信号和负信号分别和集成 运放的负极和正极连接 , 可以得到如图 2所示的反 相差分放大器 。根据“虚短 ”“虚断 ”理论 , 在满足 式 ( 3)的前提下 , 可得 :2. 5 差分积分器将同相差分放大器中的电阻 R 和 R 分别用ff 2R f Vo = -或R + R fVin +Vref( 6)电容 Cf 和 C f 代替 , 可以得到如图 5所示的差分积分器 。根据
9、“虚短 ”“虚断 ”理论 , 可得Vo = - 2R f R + RfVin +Vref( 7) 1 V - - VACfRd t = VA - VO( 12) 1 V + - VBd t = V- VC f R VA = VB由式 ( 12) 可得V= 1 foRC V+ -B 1 VR C frefRC VA+ 1 f- 1 R C VBfd t + Vref(13)从式 ( 13) 可以看出 , 若满足条件2. 3 差分加法器在图 1 同相差分放大器的输入端按照同样方 式叠加多组差分信号 , 可以得到图 3所示的差分加可得 R = R C f Cf( 14)1法器 5 。图中 , V=
10、V1 +- V1 -, VN= VN +- VN -1Vo =V in d t + Vref( 15)表示 N 组输入差分信号的电势差 。根据“虚短 ”“虚断 ”理论 , 在满足式 ( 3)的前提下 , 可得或RCf 2R f Vo =NV i +Vref( 8)Vo = 1 V in d t + Vref( 16)R + R f i = 1或2. 6 差分微分器R C f第 36卷 ( 2008)第 6期计算机与数字工程69将差分积 分器中的电容 Cf 、C f 分别与 电阻 R、R 进行交换 , 可得同相输入端静态基极电流 IdB 在 B 点产生的电 压为 :VB = - IdB ( Z
11、Z f)( 22)此时输出电压 VO 2为 : Zf图 6 差分微分器示意图如图 6所示的 差 分 微 分 器。 根 据 “虚 短 ”VO 2 = - IdB ( Z Z f ) 1 +Z综上 , 可以得到最终输出电压为 : VO =VO 1 +VO 2( 23)“虚断 ”理论 , 可得= IdA Zf- IdB (ZfZ Z f ) 1 + 1 VA - V oZfC Rd t = V - - VA= ZfIdA- IdB Z Z f Z Z( 24) 1 VB - V ref( 17)ffC R d t = V+ - VB由于实际使用的集成运算放大器的静态基极 电流无法消除 , 所以输入失
12、调电流产生的影响无法VA = VBVo = CRf dV indt+Vref dV in同样 , 在满足 ( 14)式的情况下 , 可得或( 18)消除 。因此从式 ( 24)可以看出 , 如果满足条件Z Z f = Z Zf( 25)集成运算放大器输出只受输入失调电流影响 , 即 :VO = Id Zf( 26)结合式 ( 20)和式 ( 25)就可得以上几种基本运Vo = C R f+Vref( 19)dt算电路外围阻抗之间的最佳取值关系 , 即 :结合式 ( 3)和式 ( 14) , 可以得到关于外围阻抗 的通用关系式 Z = Z ZfZ f( 27) Z = Z ZfZ f( 20)4
13、结语Z Z f = Z Zf3差分运算电路误差分析 34 本 文 主 要 讨 论 输 入 失 调 电 流 产 生 的 误本文详细研究了几种关于差分信号的基本运 算电路 , 并讨论了输入失调电流 Id 对集成运算放 大器输出的影响 , 最后得出差分信号基本运算电路 外围阻抗的最佳取值关系 :差 对 集 成 运 算 放 大 器 输 出 的 影响 。如图 7所Z Z f = Z Zf 和 ZZf有较大的指导意义 。 Z =, 对实际工程应用Z f图 7 失调电流影响示意图示 , IdA 、IdB 分 别参 考 文 献表示集成运放正输入端和负输入端静态基极电流 , Z、Zf 、Z 和 Z f 表示集成
14、运算放大器的外围阻抗。 输入失调电流是指当输入电压为零时流入运放两 输入端的静态基极电流之差 , 即 Id = IdA - IdB 。输 出电压由 VO 两部分组成 : IdA 产生的输出电压 VO 1 和 VB 叠加到 A 点产生的输出电压 VO 2 。1)反向输入端静态基极电流的影响从图 7可以看出 , 阻抗被旁路 , 静态基极电流 IdA全部通过阻抗 Zf , 此时 IdA 产生的输出电压 VO 1 为 :VO 1 = IdA Zf( 21)2) VB 叠加到 A 点产生的影响 1 李晓延. 用差分放大器来驱动高速 ADC J . 今日 电子 , 2007, ( 9) : 5960 2 童诗白 , 华成英. 模拟电子技术基础 (第三版 ) M . 北京 :高等教育出版社 , 2001 3 李琳. 集成运算放大器的误差分析 J . 计量与测 试技术 , 2006, 33 ( 12) : 1920 4 张学文 ,邹梅. 集成运算放大器的误差分析及外围 元件参数的选择 J . 湖北师范学院学报 (自然科学版 ) , 2001, 2 ( 21) : 5056 5 李新 ,刘维学. 用集成运算放大器实现加减法器的设计 J . 渤海大学学报 (自然科学版 ) , 2004, 2 ( 25) : 158 159