差分比例运放浮地测量及共模电压计算

电子技术设计 2025-10-09 16:57
差分比例运放浮地测量及共模电压计算图1
问题描述如下:

GND_MCU是单片机侧的GND,VIN_BUCK-是BUCK电源侧的功率地。3.3V和GND_MCU由B1205隔离之后由3.3V的LDO产生。问这样采集BUCK输出电压有没有问题?能否正常采集?

差分比例运放浮地测量及共模电压计算图2
差分比例运放浮地测量及共模电压计算图3

这个问题精简下来,大致就是差分比例运放作为浮地测量能不能行?共模电压如何计算?

我当时给出的回答是不能采集(因为我原来没有想明白),模法师(群里的另外一位大佬)说是没问题的,也给出了相应的看法:他说差分不需要共地,这种属于浮地测量,需要注意这个电路的共模电压输入范围,以及对共模抑制能力有一定的要求。昨天我在想另外一个问题的时候,突然又回想到这个事情,我想模法师说的是正确的,。

接下来我们就对这个电路进行分析吧。我们平常使用的是常规用法,即运放与被测量的电压属于共地关系。在这种测量方式下,输出就是常规的差分比例放大公式,并且Vcm也是很容易就求得,计算公式如下图所示:

差分比例运放浮地测量及共模电压计算图4

然后是本次讨论的这种浮地测量的计算,这个与上图其实是略有不同的,不过最终输出结果是完全一致的,不同就在与其Vcm共模输入电压不同,我们可以看到输出电压是完全一致的3.06V,然而共模输入电压是不同的,上面是2.91V,然而浮地之后变成了1.53V:

差分比例运放浮地测量及共模电压计算图5

那么这个1.53V的共模电压Vcm是如何计算的呢?我们首先需要分析一下这个电流路径(如下图的蓝色所示),然后再做计算:

差分比例运放浮地测量及共模电压计算图6

通过虚短,我们可以知道如下表达式:

差分比例运放浮地测量及共模电压计算图7

然后由于虚断,加上电流路径分析,基尔霍夫电压定理,我们可以知道如下的式子:

差分比例运放浮地测量及共模电压计算图8

然后我们通过方程式的联立,可以求得回路电流I以及输出电压:

差分比例运放浮地测量及共模电压计算图9

这个与我们的仿真数值也是一样的:

差分比例运放浮地测量及共模电压计算图10

由此我们就可以计算出Vcm以及Vout。就可以更好的判断Vcm是否在共模输入电压范围内。

那么关于这个电路有没有什么弊端呢(隔离了但是没有完全隔离)?这种浮地测量还需要注意什么呢?欢迎评论区留言讨论。

差分比例运放浮地测量及共模电压计算图11

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