差分放大器

在本教程中，我们将学习一个重要的电路模拟电路设计：差分放大器。它基本上是一个电子放大器，其具有两个输入并放大这两个输入之间的差异。我们将看到差分放大器的工作，计算其增益和CMRR，列出一些重要特征，并看到一个示例和应用程序。

介绍

运算放大器内部是差分放大器(它的第一级)，具有其他重要特性，如高输入阻抗，低输出阻抗等。有关运算放大器的更多信息，请阅读运算放大器的基本知识．

差分对或差分放大器配置是模拟集成电路设计中最广泛使用的构建块之一。它是每个运算放大器的输入阶段。

差分放大器或差分放大器放大两个输入信号之间的差异。运算放大器是差分放大器;它有反相输入和非反相输入。但运算放大器的开环电压增益太高(理想情况下是无限的)，不能在没有反馈连接的情况下使用。

因此，实用的差分放大器使用负反馈来控制放大器的电压增益。

差分放大器

下图显示了一个使用运放的简单差分放大器₁是非反相输入电压，V₂输入电压和V是否倒置_出为输出电压。

如果你观察上面的电路的差异放大器，它是两者的组合反相放大器和非反相放大器．因此，为了计算差分放大器的输出电压，我们将同时使用反相和非反相输出并将它们相加。

输出电压计算

让V₊为非倒相端电压和V_-为上述微分的倒相端电压放大器电路．我们可以计算V的值₊使用势能分压器规则。

电阻R₁和R₂与V形成分压网络₁作为输入电压和v₊作为输出电压和这个V₊应用于非倒相端子。所以,

V.₊= V₁(右₂/ R.₁+ R₂的）

如果是V.₊是非反相终端和g的输入₊是非反相放大器的增益，那么是非反相输出V_出+是由:

V._出+= V₊G₊

由上述电路，我们可以计算出非逆变增益G₊作为：

G₊= (R_3.+ R_4.）/ R._3.= 1 + (r_4./ R._3.的）

使用V的值₊和G₊在V的方程中_出+,我们得到

V._出+= V₁(右₂/ R.₁+ R₂）（1 +（r_4./ R._3.）)

到倒相输出V_出去-，我们要计算它对反方向输入V的影响₂而反相增益g_-．

V._出去-= V₂G_-

由上述电路，我们可以计算出反相增益G_-作为：

G_-= - R._4./ R._3.

所以，五_出去-是由:

V._出去-= V₂(- R_4./ R._3.的）

我们有两个v_出+和V_出去-值。得到最后的V_出值，我们要把这些值相加。

V._出= V_出++ V_出去-

V._出= V₁(右₂/ R.₁+ R₂）（1 +（r_4./ R._3.）） - v₂(右_4./ R._3.的）

这是一个差分放大器的输出电压。上面的方程看起来很复杂。为了简化方程，降低复杂度，让我们取一个特殊情况，R_3.= R₁和R_4.= R₂．

如果我们应用上述方程中的这些值，输出电压为:

V._出= R₂/ R.₁(V₁- - - - - - V₂) = R_4./ R._3.(V₁- - - - - - V₂的）

现在，从这个方程，很明显，微分电压(V₁- - - - - - V₂)乘以增益R₂/ R.₁．因此，它是差分放大器。

计算输出电压的替代方法

现在让我们通过确定运放反相输入端的电流来计算输出电压。让我们假设差动放大器的电路如下。这个电路和前一个类似，除了这是R的一个特例_3.= R₁和R_4.= R₂先前电路。

首先，我们必须确定在非逆变端子的电压(V₊)．我们在之前的推导中已经用分压器法则计算过了。该值由:

V.₊= V₁(右₂/ R.₁+ R₂的）

现在，从运算放大器的基本理解，我们可以说没有电流流入或流出运算放大器的输入端。所以，电流进入倒相终端I₁与离开终端I的电流相同₂．

一世₁=我₂

使用此规则作为参考，我们可以在反相输入终端应用Kirchhoff的当前法律，我们得到：

(V₂- - - - - - V_-）/ R.₁= (V_-- - - - - - V_出）/ R.₂

关于运算放大器的另一个重要规则是它试图将输入端子保持在相同的电压。所以，五₊= V_-．用这个规则，我们可以替换V_-与前面计算的V₊价值。

替换并进行一些计算后，得到:

V._出= R₂/ R.₁(V₁- - - - - - V₂的）

注意:在之前的计算中，我们取一个特殊值R_3.= R₁和R_4.= R₂．实际上，我们要考虑的是比率，

R._3./ R._4.= R₁/ R.₂

如果使用该条件，则据说电阻将在平衡桥中。

差分放大器的重要参数

现在让我们看到差分放大器的一些重要参数。他们是：

• 获得
• 共模输入
• 共模抑制比(CMRR)

差动放大器增益

差分放大器的增益是输出信号与输入信号的差值之比。从前面的计算，我们得到输出电压V_出作为

V._出= R₂/ R.₁(V₁- - - - - - V₂的）

所以，差分放大器增益a_D.是（谁）给的

一个_D.= V_出/（V.₁- - - - - - V₂) = R₂/ R.₁

共模输入

在所有以前的计算中，我们假设平衡桥条件i.e.，r_3./ R._4.= R₁/ R.₂．为了理解差分放大器或差分放大器的独特特性，我们必须看一下差分模输入和共模输入元件。

差模输入V_DM.和共模输入V_厘米是由:

V._DM.= V₁- - - - - - V₂

V._厘米= (V₁+ V₂/ 2

将上述两个方程重新排列，我们得到

V.₁= V_厘米+ V_DM./ 2和v₂= V_厘米- - - - - - V_DM./ 2.

以下电路显示了共模输入信号。

由于差分放大器只放大差模分量，它忽略了共模分量。如果我们把输入连接在一起，V_DM.变成0和V_厘米是非零值。

但真正的差分放大器将导致v_出= 0，因为它完全忽略输入信号的共模部分。因此，差动放大器常用于系统的输入级，以消除输入端的直流或共模噪声。

如果才能且仅当电阻形成平衡桥条件时，所有这些计算都是如此。由于实际差分放大器的输出取决于输入电阻的比率，如果这些电阻器比率不完全相同，则共模电压V_厘米不会被完全取消。因为实际上不可能完全匹配电阻器比，所以可能是一些共模电压。

利用共模输入电压存在，差分放大器的输出电压给出，

V._出=一个_D.V._DM.+一个_CV._厘米

其中V._DM.差值是V吗₁- - - - - - V₂

V._厘米为共模电压(V₁+ V₂/ 2

一个_D.和一个_C分别是差分模式和共模增长。

共模抑制比(CMRR)

差分放大器抑制共模输入信号的能力用共模抑制比(CMRR)来表示。微分放大器的共模抑制比是用微分电压增益(a_D.)到其共模增益(A_C)．

CMRR =一个_D./ 一个_C

在分贝（DB）方面，CMRR表示为

CMRR._{D b}= 20日志_10.（| A._D./ 一个_C|)

对于理想的差分放大器，共模电压增益为零。因此，CMRR是无限的。

差动放大器的特性

• 高差压电压增益
• 低共同模式增益
• 高输入阻抗
• 低输出阻抗
• 高CMRR
• 大的带宽
• 低偏置电压和电流

差动放大器作为比较器

差动放大电路是一种非常有用的运放电路，因为它可以被配置为“增加”或“减少”输入电压，通过适当地在输入电阻上并联增加更多的电阻。

惠斯顿电桥差分放大器电路设计如下图所示。这个电路表现得像一个差分电压比较器。

通过将一个输入连接到一个固定电压,另一个热敏电阻(或一个光敏电阻),差分放大器电路检测到高或低水平的温度(或光强)的输出电压变成一个线性函数的变化电阻桥接网络的活跃的腿。

惠斯通桥差分放大器还可用于通过比较电阻器的输入电压来找到电阻桥网络中的未知电阻。

光激活开关使用差分放大器

下图所示的电路充当一个光依赖开关，当照射到光依赖电阻(LDR)上的光强度超过或低于非反相输入端V的预设值时，输出继电器要么是“ON”要么是“OFF”₂．

电压V.₂是由可变电阻V_R1.．电阻R₁和R₂充当一个潜在的分频网络。一个固定的参考电压通过R加到反相输入端₁和R₂．

可以修改相同的电路以检测温度的变化，只需用热敏电阻更换LDR即可。通过互换LDR和V的位置_R1.，可以使电路检测暗或光（在热敏电阻的情况下热或冷）。

差分放大器示例

确定输入电压为300µV和240µV时差动放大器的输出电压。放大器的差分增益为5000，共模抑制比为

(我)100

(2) 10^5.

给定数据的差分放大器表示如图所示。

对于CMRR = 100：

CMRR =一个_D./ 一个_C

100 = 5000 / a_C

所以,一个_C= 50

差模电压V_DM.

V._DM.= V₁- - - - - - V₂= 300µv - 240µv = 60µv

共模电压V_厘米

V._厘米= (V₁+ V₂) / 2 = 540µv / 2 = 270µv

输出电压V_出

V._出=一个_D.V._DM.+一个_CV._厘米

= 5000 x 60µV + 50 x 270µV

V._出=313500μV= 313.500 mV

CMRR = 10^5.：

一个_C=一个_D./ CMRR = 5000 / 10^5.= 0.05

V._出=一个_D.V._DM.+一个_CV._厘米= 5000 x60μV+ 0.05 x270μV

V._出= 300013.5µV = 300.0135 mV

注意:理想差别放大器或差分放大器，a_C是0.所以，输出只是一个_D.V._DM.，得到V_出= 5000 x 60µV = 300 mV。

差分放大器摘要

• 差分放大器，也称为差分放大器，是一种非常有用的运放结构，它可以放大输入电压之间的差值。
• 差分放大器是反相和非反相放大器的组合。它使用负反馈连接来控制差分电压增益。
• 放大器的差分电压增益取决于输入电阻的比率。因此，通过仔细选择输入电阻，可以精确地控制差分放大器的增益。
• 理想差分放大器的共模增益为零。但由于实际电阻值的不匹配，会有一个非常小的共模电压和有限的共模增益。
• 通过适当地修改输入端子处的电阻器连接，可以使差分放大器添加，减去和比较所施加的输入电压电平。