在模擬電路設計中，我們需要處理各種電壓電流小信號，這個時候很多工程師會下意識想到“同向運算放大器”和“反向運算放大器”，因為在大學時《模電》書上老師教過，所以記憶深刻。但是，“差分式放大電路”卻常常被遺忘，不會自然而然去使用，不掌握“差分式放大電路”的使用是非常可惜的，因為它在我們電子電路設計中實在是太重要了。

先來看看我們常用的“同向運算放大器”和“反向運算放大器”，如圖1和圖2所示，根據“理想運放”的虛短和虛斷定義，通過列基爾霍夫電壓電流方程即可得到“同向運算放大器”和“反向運算放大器”的電壓增益公式。

圖1 同向運算放大器電路結構及增益計算公式

圖2 反向運算放大器電路結構及增益計算公式

圖1和圖2所示的“同向放大電路”和“反向放大電路”存在明顯的缺陷：運放兩輸入端的輸入電阻不相等，即運放兩端不對稱，這就會導致運放兩端輸入偏置電流不匹配，從而引起輸入失調電流Ios和輸入失調電壓Vos，最終反映在運放輸出端出現較大的噪聲電壓，降低放大電路放大精度。我們將圖1圖2所示電路稍加變化就能克服運放兩端不對稱而導致的噪聲電壓影響，如圖3所示。

圖3 輸入端對稱的同向放大電路和反向放大電路

在圖3中，雖然讓“同向放大電路”和“反向放大電路”兩輸入端電阻相等了，降低了輸入失調電流的影響，但在運用時仍然受限。“同向放大電路”電壓增益是恒大于1的，不能將信號縮小，有可能會使輸出電壓越限，超過后端模數轉換器(ADC)的參考電平而無法轉換;而“反向放大電路”會將輸入信號反向，正電壓信號輸入得到負電壓輸出，且需要雙電源對運放供電，另外后端模數轉換器一般無法處理負電壓信號。因此，要解決上述問題，就需要使用差分式放電電路，可進行信號放大，也可進行信號縮小，標準的差分式放大電路如圖4所示。

圖4 標準差分式放大電路

在圖4標準差分式放大電路中，Vref是基準電壓，是為了將整個輸入信號進行電平抬高，這樣即使輸入信號源有負電壓，在電平抬高后，運放輸出端也不會出現負電壓，方便后端模數轉換。一般來說，Vref的選取需要考慮后端ADC的模擬參考電平值(即ADC能轉換的最高電壓)，如果ADC的模擬參考電平值為5V，那么我們就可以將基準電壓Vref設定為2.5V，這樣就將輸入信號源整體拔高了2.5V，使輸入信號源正向電壓經過運放處理后變化范圍在2.5V～5V之間，輸入信號源負向電壓經過運放處理后變化范圍在0V～2.5V之間。因為運放輸出均為正向電壓，所以對運放的供電電源也不需要使用雙電源供電，只用單電源供電就可以了。

下面列舉一個我曾經做過的案例進行說明：

在電力系統或者電動汽車應用領域，經常需要測量儲能系統中電池組(鉛酸電池或者鋰電池)的充、放電電流，顯然電流是有方向的，如果定義充電為正向，那么放電就為負向，假設電池組的充、放電電流范圍在-200A～200A。

CPU選擇的是飛思卡爾處理器MPC5644A，可利用CPU內部的12位模數轉換器(ADC)進行采樣，CPU是5V供電，但其內部ADC有專門的模擬參考電平引腳(VRH，VRL)，如圖5所示。

圖5 微處理器MPC5644A模擬參考電平引腳圖

(1)首先選擇霍爾電流傳感器型號：根據電流測量范圍選擇飛軒SZ128E2-200A，規格參數如圖6所示，該霍爾采用雙電源±12V或±15V供電，在-200A～200A測量范圍內，霍爾輸出電壓范圍對應為-4V～4V;

圖6 霍爾電流傳感器SZ128E2-200A規格參數

(2)然后設計霍爾電流傳感器的采樣檢測電路以及確定CPU模擬參考電壓：運放采用單電源5V供電，選擇差分式放大電路將霍爾電壓輸出信號縮小，然后通過基準電平VREF進行整體抬高，使運放輸出正向電壓信號。根據霍爾輸出電壓范圍在-4V～4V，我們可以設定CPU內部ADC模擬參考電平VRH=4V，采用TL431設計得到，并通過高精度電阻分壓得到運放基準電平VREF=2V(一般來說，運放基準電平選擇為ADC模擬參考電平的一半)，如圖7和8所示;

圖7 霍爾電流傳感器的采樣檢測電路

圖8 采用TL431設計ADC模擬參考電平VRH及運放基準電平VREF

(3)計算進入ADC的電壓信號即運放調理后的電壓輸出：根據圖4所示標準差分運放增益計算公式可以得到霍爾經過運放后的輸出：Vo=-(R22/R20)*Vct+Vref=-(4.7/10)*Vct+2;因此，當霍爾充電電流達到最大200A時，Vct=4V，那么計算出Vo=0.12V;當霍爾放電電流達到最大200A時，Vct=-4V，那么計算出Vo=3.88V;可以看到Vo的輸出在0.12V～3.88V之間，此范圍段均在ADC模擬參考電平VRH=4V的范圍內，不會越限。圖7中射極跟隨器是用作隔離及提高基準電平VREF的帶負載能力，不然的話圖7運放U8正極電阻R21、R23就會對VREF前端的分壓電阻產生影響，使分壓得到的基準電平VREF不正確。

綜上：對于輸入信號源有正、負方向的，在使用運放時是一定要通過基準電平進行電壓抬高的，這樣進入ADC的信號才能是正向電壓，我們在使用運放時要盡量采用差分式運放，差分式運放共模輸入電壓最小(最終在運放輸出端呈現的共模干擾信號就會小)，能夠很好的抑制輸入的共模干擾信號及雜波，并且因為輸入兩端對稱(運放正、負輸入電阻相等)，電路整體的輸入失調電流和失調電壓相比于同向和反向放大電路也會小的多。