在电子产品设计中，采样电路和比较电路在电子行业中具有非常广泛的应用，本文从0到1介绍基础的采样电路设计，进一步探讨差分采样电路和滞回比较电路的设计与计算分析。

基础的采样电路设计（新手必看）

在电子电路中大家常见到基于运放设计的各种采样电路，抛开这一经验或者是对于刚入行的工程师来说，你是否有想过用电阻分压而不是运放来设计采样电路呢？其实电阻分压采样完全可行！在某些特定的电路中甚至比运放采样更有优势，我们列举几个采样需求看看是否适合电阻分压采样：

• • 20V左右大功率直流电压采样
  • 2000V左右大功率直流电压采样
  • 200A左右直流电流采样
  • 200A左右交流电流采样

接下来我们依次分析这五个采样需求，对比他们的差异和相同之处。

“20V左右的大功率直流电压采样”，先明确我们要采样的电压源能够输出大功率，那么说明这个电压源的负载调整率一定很好、是个低压系统极可能是和采样系统共地并且是个直流信号没有负压。我们用电阻分压来尝试实现采样，设计一个简单的电路看看：

在这里V_souce是被采样的电压源，Ru和Rd是采样电路，R01代表处理电路（常见的有MCU单片机，其内部一般是高阻态，我们暂用5.1k代表）。在这里要注意的就是Ru和Rd的设计要综合考虑处理电路的处理范围、器件封装、常用阻值、抗干扰性、采样精度、发热损耗等来选取。常用的MCU处理范围是0~3.3V，又因为硬件固有特性导致接近3.3V的信号会出现采样失真，所以在设计时一般要留有余量，在3.3V系统一般把采样量程的上限设计在3V左右会比较合理，既留有余量避免失真又保证了精度。我们此时计算上图电路发现V_souce为20V时R01两端的电压是6.7V，已经远超MCU处理范围，甚至可能会引起器件损耗，所以我们要对Ru和Rd的参数进行优化，重新设计电路：

我们把下臂电路Rd改为1k，V_souce为20V时R01两端的电压约是2.8V，处理电路的处理范围满足，再来计算电阻功耗P=U2/R，Ru和Rd的功耗分别是58mW和8mW，而0402封装的电阻功耗是1/16W即62mW, 能够勉强满足设计需求，在实际电路设计中建议留有余量选择0603封装能够降低电路失效率。最后在根据采样精度选择电阻的精度，本次设计基本就可以进入实际验证阶段了。

之前跟一位新同事聊到这的时候他问我一个有趣的问题，如果把Ru和Rd的阻值都选的很大那么两个电阻的功耗都会很小，不就可以用0201甚至01005的电阻了吗?我认为这个问题的答案理论上完全可行！但现实很骨感，尤其是在实际电路中存在各种各样的电磁场，如果电阻阻值选的比较小，那么外界的干扰变化就可以忽略不计，如果电阻很大那么采样电路的电流会相应变得非常小，届时外界一个细微的变化对于采样数值都是灾难级影响。

到了这一步我们对这个电阻采样电路做个总结：

• 采样路径需要平衡处理电路的处理范围、器件封装、常用阻值、抗干扰性、  采样精度、发热损耗等重要因素；
• 只能缩小信号；
• 后级阻抗需要无穷大或者是一个确定的阻值。

后两个要求看似很普通，但这也是电阻分压采样最为致命的地方。封装可以改，抗干扰可以加滤波但后级阻抗不确定怎么办？后级阻抗变化了怎么办？对于本身就很小的微弱信号想要放大怎么办？因此我们引入了基于运放的采样电路，最基础版本：

小学二年级的表弟都知道根据虚短虚短，同相端的电压等于反向端的电压，所以这是一个简单的电压跟随电路，运放的输出Vo=1/999*Vdc1，当Vdc1=2000V时输出电压为2V。这个电路最大的优点就是后级阻抗的变化完全不影响输入侧。很多时候我们后级不止要接到MCU也会接到其他的电路上去，甚至随着设计的完善后级增加电路都会引起输出侧的阻抗变化，届时运放的基本优势就很明显了。由此我们可以正式进入第二节介绍差分采样的进阶优势。

差分采样电路计算

差分采样电路最为人称道的优点两个一个是无需与被采样信号共地；另一个就是能够很好抑制共模干扰。

在很多时候高压功率路径和低压信号路径为了减小干扰并不是共地的两套系统，因此我们在回看电压跟随电路时就有局限性了，在此引入差分采样电路：

我们不讨论理想运放直接从实际电路出发所以基于LM318开始分析这个，该芯片电源轨接±12V，这也就意味着运放的输出无法超过这个范围，为了避免信号失真最后的输出信号应该设计在±10V之间的范围比较好。所以在采样2000V信号时，放大倍数不应大于0.005倍，此处运放放大正好设计为0.005倍（下文补充计算）。如前文所述后级电路的处理范围可能仅有3.3V因此运放的输出还不能直接接到后级，因此增加R6和R5两个电阻构成第二级放大电路，第二级的放大倍数为3.3/(3.3+10)=0.2476，最终输出的VF2信号就可以直接送到后级电路。

首先了解清楚电路的接地系统，发现输入信号VG与运放系统并不共地，因此需要对输入信号进行等效处理：

到了这一步，就可以基于叠加定理计算输出电压，分别将Vgp和Vgn置零：

此时得到了Vgp单独作用下的输出电压，开始分析Vgn单独作用下的输出电压：

我们先不看后面的电阻分压部分，仅对运放的输出进行整理：

看到这里似乎很复杂，但别忘了我们电路中的小彩蛋：Rd1=Rd2=1000；Rf=R4=5，此时对式子重新整理：

此时得到了一个非常重要非常好用的公式，只要两个差分路径上的电阻值Rd相等，并且反馈电路和同相端接地的电阻值Rf相等，运放的输出电压Vo=Vi*Rf/Rd。

因此我们可以通过调整Rf和Rd的比值灵活设计运放的放大比例，但在实际电路中为了避免把无源的噪声过度放大，小饭建议大家单级的放大倍数最好在0.01~100倍之间，如果实际需求超过这个范围建议使用多级放大串联。

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下节预告：运放的滤波设计 滞回比较电路设计