利用放大器调整输出信号的共模电压——放大器电路设计思路（图文）

放大器必须掌握的知识

• 关于放大器中的SR参数.
• 放大器，还是衰减器，或两者皆可？.
• 再谈运放SlewRate-SR.
• CMRR在测量差分小信号时的重要性——输出误差分析.
• 运算放大器为什么不能用作比较器.

明确设计要求

设计要求

• 有两路差分信号，假设为sin+/sin-，信号Vpp=0.5V，共模电压=2.5V，要求把差分信号±sin转成单端信号sin，且波形幅值范围在[0, 3.3V]。

波形示意图

设计一个符合要求的放大器电路应该怎么思考

心路历程

• step1：
  明确输入波形的最大频率f，最大峰峰值Vpp，能用表达式表示出来那就更好了。例如本文中提出的差分sin，其实是光栅编码器读数头在供电5V时输出的单路共模电压=2.5V，峰峰值=0.5Vpp的sin波，那就很好用表达式表述：
  sin+ = 0.25sin(θ)+2.5；
  sin- = -0.25sin(θ)+2.5;

• step2：
  对输出波形的要求，就是说想输出什么样的波形，能用表达式表示出来更好。例如本文中要求的输出波形的共模电压=1.65V，峰峰值=3.3Vpp，那是因为ADC的输入信号满量程范围是[0—3.3V].于是也可以用表达式描述：
  sin = 1.65sin(θ)+1.65;

• step3：
  放大器选型。（根据项目需求的不同，放大器的选型严格程度也不同，不得不承认那是个技术活，主要是那几个参数压摆率SR，满功率带宽积FPBW，偏置电压Offset voltage等等，不是本文重点，不做展开讲解，以后用实际项目再解释放大器选型）

• step4:
  那么问题来了，怎么样才能将输入波形从共模电压2.5V给降到1.65V呢？于是就会这么想，放大器可以组成很多功能的电路，比如反相放大器器，正向放大器，加法器，积分器，减法器。。。，好像减法器有戏。那减法器长什么样子呢？从网上找一个标准的减法器，如下图（其实是我画的）。
  

• step5：
  减法器好像能行，那怎么确定那些阻值呢？其实上面那个图基本上就是差分放大器内部结构。
  （其实像这种差分转单端的应用，有专门的差分放大器可用，基本上就是Vout=A-B，倍数也可以调，但也同样面临电阻值设置的问题）

灵魂解法

• 已经知道了输入输出的表达式；
• sin(θ)有最大值1，此时应该对应输出的最大值3.3V，最小值-1应该对应输出最小值0；
• 那么我们有两个已知条件，可以求出两个未知数，即电路中的两个未知电阻值；
• 人为设定R1=R2=10kΩ，一方面10这个数字好计算，两一方面阻值太大会引入电阻热噪声甚至大幅削弱信号能量，比如用个1GΩ，那信号就阻断了，太小了可能会让放大器震荡，有时候datasheet会推荐这个阻值，有时候凭着经验觉得这个值就行，那就这个值吧（我在实际中测试过了，可行）。令R3=xkΩ，R4=ykΩ；如下图
  
• 虚短虚断利用起来，得到Vout的表达式；我已经算好了：
  
  把值带进去就得到：
  
  前面已经提到有两个已知条件：
  当sin(θ)=1时，Vout=3.3，
  当sin(θ)=-1时，Vout=0；
  带入公式中，是不是有初中学的二元一次方程组内味了。
• 我们用matlab解二元一次方程组：

syms x y;
[x y]=solve((x*(10+y))/(10*(10+x))*(0.25+2.5)-y/10*(-0.25+2.5)==3.3,(x*(10+y))/(10*(10+x))*(-0.25+2.5)-y/10*(+0.25+2.5)==0)

得到：x=106.7647kΩ，y=29.7kΩ；

注意事项

• 本文用的是rail-to-rail 放大器，ADI公司的AD8544

仿真

方法1

用TI的TINA软件仿真，选用rail-to-rail 放大器进行仿真；

方法2

用matlab仿真，不是用Simulink，而是仿真用虚短虚断求出来的Vout公式，

%共模2.5V
sin_p=0.25.*sin(x)+2.5;	%sin+表达式
sin_n=-0.25.*sin(x)+2.5; %sin-表达式
sin=3.63.*sin_p-2.97.*sin_n; %Vout表达式，3.63/2.97是把已知值带进去直接算出来的
plot(sin_p)
hold on
plot(sin_n)
hold on
plot(sin)
max(sin)
min(sin)

由上图可以看出，求出的R3,R4的值可以满足我们需要的范围[0, 3.3V]。

方法3

实际搭电路测试。我是直接用光栅读数头输出的差分sin进行电路测试，实际结果跟matlab仿真结果基本一致。

总结与展望

• 本文中设计要求输出范围在[0, 3.3V],在设计时不会把输出值卡的正好，都会留出一定的裕量，例如这次我只把输出范围调在了[0.1, 3.2V],这样可以增加系统的鲁棒性；
• 一切的仿真都是理论，一定要搭电路测试电路模块的正确性，然后再集成到系统中；
• 放大器电路的设计思路一般都是从后往前推；