差分放大器

在本教程中，我们将了解模拟电路设计中的一个重要电路之一：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

运算放大器在内部是差分放大器（其第一阶段），其他重要功能，如高输入阻抗，低输出阻抗等。有关OP-AMP的更多信息，请阅读运算放大器基础知识。

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。运算放大器是差别放大器;它具有反相输入和非反相输入。但是，在没有反馈连接的情况下，运算放大器的开环电压增益太高（理想地是无限的）。

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

以下图像显示使用运算放大器的简单差分放大器。在这里，五₁是非反相输入电压，V₂是反相输入电压和v_出去是输出电压。

如果您观察到差分放大器的上述电路，则它是两者的组合反相放大器和非反相放大器。因此，要计算差分放大器的输出电压，我们将使用反相和非反相输出并将它们加在一起。

计算输出电压

让V.₊是非反相终端和v的电压_-是上述差分放大器电路的反相端子处的电压。我们可以计算v的值₊使用潜在的分隔规则。

电阻器R.₁和R.₂用V形成分压器网络₁作为输入电压和v₊作为输出电压和此V.₊应用在非反相终端。所以，

V.₊= V.₁（r.₂/ R.₁+ R.₂）

如果V.₊是非反相终端和g的输入₊是非反相放大器的增益，然后是非反相输出v_出+是（谁）给的：

V._出+= V.₊G₊

从上述电路，我们可以计算非反相增益G.₊作为：

G₊=（r._3.+ R._4.）/ R._3.= 1 +（r_4./ R._3.）

使用v的值₊和G.₊在v的等式中_出+，我们得到

V._出+= V.₁（r.₂/ R.₁+ R.₂）（1 +（r_4./ R._3.）））

来到反相输出v_出去-，我们必须根据反相输入v计算它₂而反相增益g_-。

V._出去-= V.₂G_-

从上面的电路，我们可以计算反相增益g_-作为：

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

所以，V_出去-是（谁）给的：

V._出去-= V.₂（ - R._4./ R._3.）

我们有两个v_出+和V._出去-价值观。获得最终的v_出去值，我们必须添加这些值。

V._出去= V._出去++ V._出去-

V._出去= V.₁（r.₂/ R.₁+ R.₂）（1 +（r_4./ R._3.）） - v₂（r._4./ R._3.）

这是差分放大器的输出电压。上面的等式看起来很复杂。因此，为了减少复杂性并简单的等式，让我们在其中采取特殊的情况_3.= R.₁和R._4.= R.₂。

如果我们在上述等式中应用这些值，则输出电压为：

V._出去= R.₂/ R.₁（V.₁- V.₂）= R._4./ R._3.（V.₁- V.₂）

现在，从这个等式中，很明显差分电压（v₁- V.₂）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，让我们现在通过确定运算放大器的反相输入处的电流来计算输出电压。让我们假设差分放大器的以下电路。该电路类似于前一个，除了r的特殊情况_3.= R.₁和R._4.= R.₂先前电路。

首先，我们必须确定非反相终端的电压（V₊）。我们已经使用分压器规则在上一个推导中计算了这一点。该值由：

V.₊= V.₁（r.₂/ R.₁+ R.₂）

现在，从对运算放大器的基本了解，我们可以说，没有电流流入或从运算放大器输入端子中流出。因此，电流进入反相终端i₁与当前离开码头的情况相同₂。

一世₁= I.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：

（V.₂- V._-）/ R.₁=（V._-- V._出去）/ 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，V₊= V._-。使用此规则，我们可以取代v_-在上面的等式中，先前计算的v₊价值。

更换和执行一些计算后，我们到达：

V._出去= R.₂/ R.₁（V.₁- V.₂）

笔记：在所有以前的计算中，我们担任特别的r_3.= R.₁和R._4.= R.₂。实际上，而不是我们必须考虑比例即，

R._3./ R._4.= R.₁/ R.₂

如果使用该条件，则据说电阻在平衡桥中。

差分放大器的重要参数

现在让我们看看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）

差分放大器增益

差分放大器的增益是输出信号的比率和所应用的输入信号的差异。从以前的计算，我们有输出电压V_出去作为

V._出去= R.₂/ R.₁（V.₁- V.₂）

所以，差分放大器增益a_D.是（谁）给的

一种_D.= V._出去/（V.₁- V.₂）= R.₂/ 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.= R.₁/ R.₂。要了解差分放大器或差分放大器的独特特征，我们必须看看差分模式输入和共模输入组件。

差分模式输入v_DM.和共模输入v_厘米由：

V._DM.= V.₁- V.₂

V._厘米=（V.₁+ V.₂）/ 2

重新排列上述两个方程，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。

由于差别放大器仅放大差分模式分量，因此它忽略了共模组件。如果我们将输入系在一起，V_DM.变成0和v_厘米是一个非零值。

但真正的差分放大器将导致v_出去= 0，因为它完全忽略了输入信号的共模部分。由此，差分放大器通常用于系统的输入级，以剥离来自输入的DC或共模噪声。

如果电阻形成平衡桥条件，则所有这些计算都是如此。由于实际差别放大器的输出取决于输入电阻的比率，如果这些电阻器比不完全相同，则共模电压V_厘米不会完全取消。因为实际上不可能完美地匹配电阻器比率，所以可能是一些共模电压。

利用存在的共模输入电压存在，差分放大器的输出电压给出，

V._出去= A._D.V._DM.+ A._CV._厘米

其中五_DM.是差分电压v₁- V.₂

V._厘米是共模电压（v₁+ V.₂）/ 2

一种_D.A._C是差分模式和共模增长。

共模抑制比（CMRR）

差分放大器拒绝共模输入信号的能力以共模抑制比（CMRR）表示。差分放大器的共模抑制比在数学上作为差分电压增益的比率（a_D.）差分放大器到其共模增益（a_C）。

CMRR = A._D./ 一种_C

在分贝（DB）方面，CMRR表示为

CMRR._{D b}= 20日志_10.（| A._D./ 一种_C|））

对于理想的差别放大器，共模电压增益为零。因此，CMRR是无限的。

差分放大器的特性

• 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.
• 大带宽
• 低偏移电压和电流

差分放大器作为比较器

差分放大器电路是非常有用的运算放大器电路，因为它可以被配置为“添加”或“减去”输入电压，通过适当地与输入电阻平行地添加更多电阻器。

惠斯通桥差分放大器电路设计如下图所示。该电路的表现类似于差分电压比较器。

通过将输入到固定电压和另一个输入连接到热敏电阻（或轻依赖电阻），差分放大器电路检测高或低水平的温度（或光强度），因为输出电压变为线性函数电阻桥网络有源腿的变化。

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。

使用差分放大器的光激活开关

以下图像中所示的电路充当光依赖性开关，其将输出继电器打开“ON”或“OFF”，因为落在光依赖电阻（LDR）上的光强度超过或落在前面的前方- 非反相输入端子V的值值₂。

电压V.₂由可变电阻V确定_R1.。电阻器R.₁和R.₂充当潜在的分频器网络。固定的参考电压施加到反相输入，通过r₁和R.₂。

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（或在热敏电阻的情况下热或冷）。

差分放大器示例

确定用于输入电压为300μV和240μV的输入电压的差分放大器的输出电压。放大器的差分增益为5000，CMRR的值是

（i）100

（ii）10^5.

给定数据的差分放大器表示如图所示。

对于CMRR = 100：

CMRR = A._D./ 一种_C

100 = 5000 / a_C

所以，A._C= 50.

差异模式电压V_DM.

V._DM.= V.₁- V.₂=300μV - 240μV=60μV

共模电压V_厘米

V._厘米=（V.₁+ V.₂）/ 2 =540μV/ 2 =270μV

输出电压V._出去

V._出去= A._D.V._DM.+ A._CV._厘米

= 5000 x60μV+ 50 x270μV

V._出去=313500μV= 313.500 mV

对于CMRR = 10^5.：

一种_C= A._D./ cmrr = 5000/10^5.= 0.05

V._出去= A._D.V._DM.+ A._CV._厘米= 5000 x60μV+ 0.05 x270μV

V._出去=300013.5μV= 300.0135 mV

笔记：理想差别放大器或差分放大器，a_C是0.因此，输出只是一个_D.V._DM.，这导致v_出去= 5000 x60μV= 300 mV。

差分放大器摘要

• 差分放大器，也称为差别放大器，是一种非常有用的OP-AMP配置，其放大所施加的输入电压之间的差异。
• 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，通过小心地选择输入电阻，可以精确地控制差别放大器的增益。
• 理想差分放大器的共模增益为零。但由于在实用电阻值中不匹配，将存在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。