实用的差分电路设计要点：电阻匹配与运放失调电压的影响
实用的差分电路设计要点：电阻匹配与运放失调电压的影响
差分放大电路是电子工程中常见的电路结构，广泛应用于信号处理和测量系统中。在设计差分放大电路时，需要考虑多个关键参数，包括电阻匹配精度、运放失调电压的影响以及采样电阻的选择等。本文将详细讨论这些参数对电路性能的影响，并通过具体实例进行分析。
在大学中学完同相和反向放大电路，经过组合，就可以形成经典的差动放大电路，下图所示的电路是教科书四十多年来一直在介绍的
当R1=R2,R3=R4，这放大器的传递函数就很简单，电路设计很简单。
当该放大器的通用传递函数，是比较复杂的
电路设计需要考虑R1和R2适配的精度，运放的失调电压的影响。(V2-V1)差值大小的影响
电路的设计要求：一个电流采样电路，工作电流是1A到10A，运放型号是ADI的AD822
首先分析，当(V2-V1)*R2/R1相乘结果一样的时候，V2-V1分别等于1mV和10mV的区别，也是分析采样电阻R10取值大还是取值小好一些。
理论输出电压希望是0.1V。显然下方左图的误差是0.23%，右图的误差几乎是0
这种误差主要是Vos带来的，当放大倍数Gain越大，Vos*Gain引起的误差就远大
比如AD822的最大失调电压Vos=0.8mV，当R10=1mΩ，在电流为1A的时候，其检测电压才为1mV，这个检测电压和失调电压Vos十分接近，从而会造成采样错误。
所以较大的采样电阻可在给定电流量下使差分输入信号达到最大，并减小失调电压的误差影响，但要考虑采样电阻的功耗，毕竟在给定电流量下，采样电阻阻值越大，功耗就越高。
需要考虑R2和R1的匹配性，即使是千分之一精度的电阻，带来的误差就会很大。
通过50次蒙特卡罗的仿真，电阻的采样精度是0.1%，可以看到，输出电压在85mV到125mV之间变化。如果进一步通过直方图分析，70%以上的输出电压值在100mV左右。最大值和最小值的极限值产生的概率比较少。
而且商用四端电阻(比如Ohmite或Vishay的产品)就很有可能需要数元或更昂贵，才能提供 0.1%容差和极低温度系数。如果设计的时候不加考虑，选择通用的1%精度的电阻，那么输出电压的变化范围更大，不仅在标称输出电压100mV的概率很低，而且出现了很多意料之外的极限值。这也说明了R1和R2，R3和R4完全匹配的重要性。
重点强调，如果一定要使用单个运放组成差分放大电路，那么四端电阻，一定要选用0.1%精度以上的电阻，才能保证输出电压的一致性，检测电路的准确性。
既然四端电阻如此重要，而且价格又比较昂贵。那么就可以将该电阻集成到芯片内部。尽管芯片内部激光刻蚀电阻的精度很低，但是可以保证R2/R1的比值和R4/R3的比值完全保证一致，这个是芯片设计的优势。所以专用的差分放大器和电流检测放大器就产生了，比如TI的INA180，内部就是标准的差动放大电路。
随后通过仿真，INA180A3的放大倍数是100倍，采样电压是1mV，最终输出电压是101.55mV,误差是1.55%。看起来误差比较小，但是芯片可以保证输出电压的一致性，解决四端电阻匹配度差带来的误差。
那使用这个芯片是否就划算了。TI官网显示这个芯片才买9美分，也就是6毛钱。在公司集中采购应该会更便宜。
一般的0.1%电阻价格是1%电阻25倍，单个价格也达到了7分多钱，四个电阻加一起差不多要3毛钱。当然嘉立创上面的价格会贵一些，公司采购估计只需要一两毛钱。再加上一个LM356，也是1毛钱左右，总共成本应该也不会超过3毛钱。这样看起来使用四端电阻+运放组成的差分电路，性能和价钱比专用芯片INA180A3的优势没有那么大，而且PCB空间还大。所以实际项目中，两种方案具体对比选择。