差分电路应用于高共模输入场合下的适用问题

kickdown

近来觉得差分电路是一个比较有特点的电路，可以方便的解决测试非隔离或有超过供电电压共模输入存在的场合。
但今天突然想到一个问题：在如下电路中，Uin+相对GND为+100V，Uin-相对GND为+110V，这时输出大概为-0.1V，运放的两个输入引脚电压大约在+1V左右。但当R3和R4的值更改为20k后，假如不考虑共GND问题，差分电路放大倍数变为-0.2，输出应该为-2V。但问题在于考虑共GND情况，此时运放两个输入引脚电压为多少V呢？根据输入虚断，应该是R1和R2对GND的分压决定，所以大概是Uin+*20k/(100k+20k)=16.67V。输入超过电源电压，肯定会出问题的。
难道这种电路必须根据输入共模电压（注意是电路输入，不是运放输入引脚）超过电源电压的比例关系，严格控制放大倍数，保证运放输入引脚不超过电源电压吗（不考虑轨到轨情况）？
仿真显示是没问题，但我表示怀疑中

locky_z

上图R1:R3=100:1，在R3上的电压是在运放共模输入电压范围，因此能工作。

但下图就不行，超出了范围了，
但仿真软件绝大部分是没有考虑过运放的供电的。所以导致仿真出来正常，

你可以用更简单的电路仿真看看，在运放供电端串连一个电流表，但运放输出是接负载的，也有负载电流的，但供电端的电流表读数却不变。


不过这种差分电路对元件要求很高，
例如你将R2:R4的比例改成100.1：1，电阻误差0.1%算非常精密电阻l了吧，
如果差分端电压是1V，共模电压100V，你算一下输出端电压和理论值偏差多少？

kickdown

locky_z 发表于 2013-5-10 15:18
上图R1:R3=100:1，在R3上的电压是在运放共模输入电压范围，因此能工作。

但下图就不行，超出了范围了，

有点没太明白您的意思
原来比例是1/100，有了误差以后的比例是1/100.1，影响不大啊
而且按照您提的误差参数计算，也不会出现输入超共模电压的情况。

locky_z

我后面这一段话的意思是说这种差分电路对元件要求非常高，并不是说输入范围不行。

计算一下，

如果Uin+=101V,Uin-=100V,也就是说R1 R2的共模电压是100V，差模电压是1V，
那么理论上运放输出电压为：0.01V

但如果R1:R3=100K:1K   R2:R4=100.1K : 1K  （0.1%误差电阻）
那么运放实际输出电压为：0.01099V

和理论误差（0.01099-0.01）/0.01=9.9%

kickdown

locky_z 发表于 2013-5-10 22:06
我后面这一段话的意思是说这种差分电路对元件要求非常高，并不是说输入范围不行。

计算一下，

这个电路的误差分析确实很有趣，我按照您给定的电阻误差重新计算了一下，发现电阻误差导致的输出误差，与共模/差模比有关，也与电路的放大倍数有关。
放大倍数为0.01，差模/共模1:100时误差9.9%
放大倍数为0.01，差模/共模1:10时误差0.99%
放大倍数为0.1，差模/共模1:100时误差9.1%
放大倍数为0.1，差模/共模1:10时误差0.9%
得出的简单结论：差模/共模比对于输出误差的影响很大，而放大倍数的比例影响并不是太多。也就是说这个电路如果应用在高共模小信号的情况下，很不适合，但如果是差模/共模电压比不大（或者小于1的场合）但放大倍数衰减几百倍的情况下，对误差影响并不严重。