差分放大器與儀表放大器的計(jì)算公式和應(yīng)用電路

一般情況下，在將運(yùn)算放大器的輸入端連接到放大器，使用“反相”或“非反相”輸入端放大單個(gè)輸入信號(hào)，而另一個(gè)輸入端接地。由于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器具有反相和無反相兩個(gè)輸入，因此我們也可以同時(shí)將信號(hào)連接到這兩個(gè)輸入，從而產(chǎn)生另一種常見的運(yùn)算放大器電路，稱為差分放大器。

基本上，由于其輸入配置，所有運(yùn)算放大器都是“差分放大器”。但是，通過將一個(gè)電壓信號(hào)連接到一個(gè)輸入端子上并將另一電壓信號(hào)連接到另一個(gè)輸入端子上，所得輸出電壓將與V 1和V 2的兩個(gè)輸入電壓信號(hào)之間的“差”成比例。

然后，差分放大器放大兩個(gè)電壓之間的差，從而使這種類型的運(yùn)算放大器電路成為減法器，而不像求和放大器那樣將輸入電壓相加或求和。這種運(yùn)算放大器電路通常稱為差分放大器配置，如下所示：

通過將每個(gè)輸入依次連接到0v接地，我們可以使用疊加來求解輸出電壓Vout。然后，差分放大器電路的傳遞函數(shù)為：

當(dāng)電阻R1 = R2和R3 = R4時(shí)，上述差分放大器的傳遞函數(shù)可以簡化為以下表達(dá)式：

差分放大器公式

如果所有電阻均具有相同的歐姆值，即：R1 = R2 = R3 = R4，則電路將變?yōu)閱挝辉鲆娌罘址糯笃?，并且放大器的電壓增益將恰好?或1。那么輸出表達(dá)式將簡單地為Vout = V 2 ?– V 1。

還要注意，如果輸入V1高于輸入V2，則輸出電壓之和為負(fù)，如果V2高于V1，則輸出電壓之和為正。

該差分放大器電路是一個(gè)非常有用的運(yùn)算放大器電路，并通過與所述輸入電阻器并聯(lián)增加更多的電阻器R1 ?和? R3，所得電路可以要么“添加”或“減去”的電壓施加到它們各自的輸入上。這樣做的最常見方法之一是將“電阻橋”（通常稱為惠斯通電橋）連接到放大器的輸入，如下所示。

惠斯通電橋差分放大器電路

現(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)差分放大器電路通過將一個(gè)輸入電壓與另一個(gè)輸入電壓進(jìn)行“比較”，從而成為差分電壓比較器。例如，通過將一個(gè)輸入連接到在電阻橋網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支上建立的固定參考電壓，而將另一輸入連接到“熱敏電阻”或“光敏電阻”，則放大器電路可用于檢測低或高當(dāng)輸出電壓成為電阻橋的活動(dòng)引腳的變化的線性函數(shù)時(shí)，溫度或光的水平將變化，下面對此進(jìn)行說明。

光激活差分放大器

此處，上面的電路用作光控開關(guān)，當(dāng)LDR電阻器檢測到的光強(qiáng)度超過或低于某個(gè)預(yù)設(shè)值時(shí)，該開關(guān)會(huì)將輸出繼電器“接通”或“關(guān)斷”。固定參考電壓通過R1-R2分壓器網(wǎng)絡(luò)施加到運(yùn)算放大器的同相輸入端子。

V 1處的電壓值通過反饋電位計(jì)VR2設(shè)置運(yùn)放的跳變點(diǎn)，VR2用于設(shè)置開關(guān)滯后。那是“ ON”的光水平和“ OFF”的光水平之間的差異。

差分放大器的第二腳由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光敏電阻器（也稱為LDR）組成，其光阻傳感器隨其單元上的光量改變其電阻值（因此而得名），因?yàn)槠潆娮柚凳钦彰鞯暮瘮?shù)。

LDR可以是任何標(biāo)準(zhǔn)類型的硫化鎘（cdS）光電導(dǎo)電池，例如普通的NORP12，其在陽光下的電阻范圍在約500Ω到在黑暗中的電阻范圍在約20kΩ或更大。

NORP12光電導(dǎo)電池具有類似于人眼的光譜響應(yīng)，因此非常適合用于照明控制類型的應(yīng)用。光電管電阻與光強(qiáng)度成正比，并且隨著光強(qiáng)度的增加而下降，因此，V2處的電壓水平也將在開關(guān)點(diǎn)以上或以下變化，這可由VR1的位置確定。

然后，通過使用電位計(jì)VR1調(diào)節(jié)光跳閘或設(shè)置位置，并使用電位計(jì)VR2調(diào)節(jié)開關(guān)滯后，可以制成精密的光敏開關(guān)。根據(jù)應(yīng)用的不同，運(yùn)算放大器的輸出可以直接切換負(fù)載，或使用晶體管開關(guān)來控制繼電器或燈本身。

通過用熱敏電阻代替光敏電阻，也可以使用這種簡單的電路配置來檢測溫度。通過交換VR1和LDR的位置，該電路可用于檢測熱敏電阻的亮或暗，或熱或冷。

這種放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要限制是，與其他運(yùn)算放大器配置（例如同相（單端輸入）放大器）相比，其輸入阻抗更低。

每個(gè)輸入電壓源都必須通過輸入電阻來驅(qū)動(dòng)電流，該輸入電阻的總阻抗比單獨(dú)的運(yùn)算放大器輸入要小。這對于低阻抗源（例如上面的橋電路）可能是好的，但對于高阻抗源卻不是那么好。

解決此問題的一種方法是向每個(gè)輸入電阻添加一個(gè)單位增益緩沖放大器。

儀表放大器

儀表放大器是非常高的增益差分放大器，具有高輸入阻抗和單端輸出。儀表放大器主要用于放大來自電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)變儀，熱電偶或電流檢測設(shè)備的非常小的差分信號(hào)。

與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益由連接在其輸出端子和一個(gè)輸入端子之間的外部電阻反饋來確定不同，“儀表放大器”具有一個(gè)內(nèi)部反饋電阻，該電阻有效地與其輸入端子隔離，該運(yùn)算放大器的正向或負(fù)向反饋當(dāng)輸入信號(hào)施加在兩個(gè)差分輸入V1和V2上時(shí)。

儀表放大器還具有非常好的共模抑制比，CMRR（V 1 ?=? V 2時(shí)為零輸出）在直流時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100dB。具有高輸入阻抗（Zin）的三運(yùn)放儀表放大器的典型示例? 如下：

高輸入阻抗儀表放大器

這兩個(gè)同相放大器構(gòu)成差分輸入級，用作緩沖放大器，差分輸入信號(hào)的增益為1 + 2R2 / R1，共模輸入信號(hào)的增益為單位增益。由于放大器A1和A2是閉環(huán)負(fù)反饋放大器，我們可以期望Va處的電壓等于輸入電壓V1。同樣，Vb的電壓等于V2的電壓。

由于運(yùn)算放大器在其輸入端子（虛擬地）上沒有電流，因此相同的電流必須流經(jīng)連接在運(yùn)算放大器輸出兩端的R2，R1和R2的三個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)。這意味著，R1上端的電壓將等于V1，R1下端的電壓將等于V2。

這會(huì)在電阻R1兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓降，該電壓降等于輸入V1和V2之間的電壓差（差分輸入電壓），因?yàn)槊總€(gè)放大器的求和點(diǎn)Va和Vb的電壓等于施加到其正輸入的電壓。

但是，如果將共模電壓施加到放大器輸入，則R1兩側(cè)的電壓將相等，并且沒有電流流過該電阻器。由于沒有電流流過R1（因此也沒有流過兩個(gè)R2電阻，所以放大器A1和A2將作為單位增益跟隨器（緩沖器）工作。由于放大器A1和A2輸出上的輸入電壓在三個(gè)電阻器網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)差異通過改變R1的值可以改變電路的差分增益。

差分運(yùn)算放大器A3充當(dāng)減法器的輸出電壓，僅是其兩個(gè)輸入之間的電壓差（V2 - V1），并且被A3的增益放大，該增益可能為1，單位為零（假設(shè)R3 = R4）。然后，對于儀表放大器電路的總電壓增益，我們有一個(gè)通用表達(dá)式：

儀表放大器公式

審核編輯：湯梓紅