公式+案例，輕松搞懂差分放大電路

一、差分放大電路

這里主要介紹兩種不同類型的差分放大器電路：

1、BJT差分放大電路設計

二、BJT差分放大電路

1、差分放大電路圖

如下面的電路圖所示，有兩個輸入 Iput1 和 Iput 2 以及兩個輸出 V1out 和 V2out。

Iput1 加到晶體管 Q1 的基極，Iput 2 加到晶體管 Q2的基極。Q1 和 Q2 的發(fā)射極都連接到一個共發(fā)射極電阻，使得兩個輸出端 V1out 和 V2out 受到兩個輸入信號 Iput1 和 Iput 2 的影響。

Vcc 和 Vee 是電路的兩個電源電壓，僅使用單個電壓電源，該電路也可以正常工作。你可能還注意到電路中沒有指示接地端子。因此，可以理解為正負電壓電源的相反點都連接到地。

差分放大電路圖

理想情況下，兩個獨立的晶體管具有相似的特性，共發(fā)射極電阻 Re、共正電源 Vcc 和共負電源 Vee由兩個晶體管共享。

現(xiàn)在，我們想到的是如何在輸入端應用信號并獲得輸出。

2、常見差分放大電路的四種接法

（1）雙輸入平衡輸出

在雙輸入配置中，兩個輸入被給定一個輸出來自兩個晶體管。

（2）雙輸入不平衡輸出

輸入提供給兩個晶體管，但輸出來自單個晶體管。

（3）單輸入平衡輸出

通過提供單輸入，我們從兩個獨立的晶體管獲取輸出。

（4）單輸入不平衡輸出

給定其中一個單個輸入，輸出僅來自單個晶體管。

3、差分運算原理

（1）第一種情況

首先，在晶體管 Q1的基極施加一個信號，在晶體管 Q2 的基極沒有施加任何信號。具體電路圖如下所示：

差分運算原理電路圖

在這里，Q1 以兩種方式起作用：首先，作為共射極放大器，Q1 處的應用輸入將在輸出 1 處提供放大的反相信號。其次，作為共集電極放大器，信號出現(xiàn)在Q1 的發(fā)射極，與輸入同相，略小。

因此，Q1 基極的輸入信號驅動晶體管，即 Q1 由正輸入信號導通。RC1 上的電壓降將更大，導致 Q1 的集電極的正負更小。

當輸入信號為負時，晶體管 Q1 將關閉，從而導致 RC1 上的電壓降較小，從而導致 Q1的集電極更正。

這樣，通過在輸入 1 處施加信號，在 Q1 的集電極上出現(xiàn)反相輸出。

當 Q1 通過輸入的正半部分變?yōu)?ON 時，通過 RE 的電流將增加，因為我們知道 I C ≈ I E。因此，RE 處的電壓降將更大，從而導致兩個晶體管的發(fā)射極都向正方向移動。

Q2 發(fā)射極正將導致 Q2 的基極為負。這個負半部分將導致 Q2 中的電流減少。結果，R C2 處的電壓降也將更小，因此集電極向正方向移動。

這樣，我們將在 Q2 的集電極處有一個非反相輸出，用于 Q1 的基極處的正輸入。

（2）第二種情況

現(xiàn)在是第二種情況，假設現(xiàn)在將信號施加到晶體管 Q2 的基極并且晶體管 Q1 接地。

差分運算原理電路圖

因此，在這種情況下，上述情況將互換，即現(xiàn)在 Q2將充當共發(fā)射極和共放大器，而 Q 1 將充當共基極放大器。

因此，在 Q1 的輸出端將接收到一個反相和放大的輸出，在 Q2 的輸出端我們將有一個非反相放大輸出。

三、放大器構建的差分運算放大電路

1、差分運算放大電路

差分放大電路是用于放大兩個輸入信號的電壓差的器件，差分放大電路是模擬系統(tǒng)集成電路中的重要組成部分。

差分放大通常構成運算放大器的輸入級，簡單來說，我們可以說差分放大電路是一個放大 2 個輸入信號的差值的設備。

如下圖所示：其中運算放大器用作差分放大器

差分運算放大電路

2、差分運算放大器公式

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

差分運算放大器公式

差分放大器公式：

當電阻 R1 = R2 和 R3 = R4 時，差分運算放大器的上述傳遞函數(shù)可以簡化為以下表達式：

差分放大器公式

如果所有電阻器的歐姆值都相同，即：R1 = R2 = R3 = R4，則電路將成為單位增益差分放大器，放大器的電壓增益將恰好為 1 或單位。那么輸出表達式就是：

Vout = V 2 – V 1

另請注意，如果輸入V1高于輸入V2，則輸出電壓總和將為負，如果V2高于V1，則輸出電壓總和將為正。

3、差分運算放大器實際電路

（1）惠斯通電橋差分放大器

差分放大電路是一個非常有用的運算放大器電路，通過添加更多與輸入電阻 R1 和 R3 并聯(lián)的電阻，可以使所得電路“加”或“減”施加到各自輸入端的電壓。進行這樣操作的最常見方法之一是將通常稱為惠斯通電橋的“電阻橋”連接到放大器的輸入端，如下圖所示。

惠斯通電橋差分放大器

（2）光激活差分放大器

通過將一個輸入電壓與另一個輸入電壓進行“比較”，標準差分放大器電路現(xiàn)在變成了一個差分電壓比較電路。

例如，通過將一個輸入連接到電阻橋網絡的一個分支上設置的固定電壓基準，另一個連接到“熱敏電阻”或“光敏電阻”，放大器電路可用于檢測低電平或高電平隨著輸出電壓成為電阻橋有源橋臂變化的線性函數(shù)，溫度或光照水平將在下面光激活差分放大電路進行演示：

在這里，下面的電路充當一個光激活開關，當 LDR 電阻檢測到的光水平超過或低于某個預設值時，它將輸出繼電器“打開”或“關閉”。固定電壓基準通過R1 – R2分壓器網絡施加到運算放大器的非反相輸入端。

V1 處的電壓值通過反饋電位 VR2 設置運算放大器的跳變點，VR2 用于設置開關滯后，這是“開”的亮度和“關”的亮度之間的差異。

差分放大器的第二個引腳由一個標準的光敏電阻組成，也稱為 LDR，光敏電阻傳感器可根據其單元上的光量改變其電阻值（因此得名），因為它們的電阻值是照明的函數(shù)。

惠斯通電橋差分放大器

LDR 可以是任何標準類型的硫化鎘（cdS）光電導電池，例如普通 NORP12，其電阻范圍在陽光下約 500Ω 到黑暗中約 20kΩ 或更大之間。

NORP12 光電導電池具有類似于人眼的光譜響應，因此非常適合用于照明控制類型的應用。

光電池電阻與光照水平成正比，并隨著光照強度的增加而下降，因此V2處的電壓水平也會在開關點之上或之下變化，這可以由VR1的位置確定。

通過使用電位 VR1 調節(jié)光級跳閘或設定位置，使用電位器調節(jié)開關遲滯，VR2 可以制成精密光敏開關。根據應用，運算放大器的輸出可以直接切換負載，或使用晶體管開關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，該電路可用于使用熱敏電阻檢測亮或暗，或熱或冷。

這種放大器設計的一個主要限制是其輸入阻抗低于其他運算放大器配置，例如非反相（單端輸入）放大器。

每個輸入電壓源都必須通過輸入電阻驅動電流，該輸入電阻的總阻抗低于單獨的運算放大器輸入的阻抗。這對于低阻抗源（例如上面的橋電路）可能是好的，但對于高阻抗源來說不是很好。

解決這個問題的一種方法是在每個輸入電阻上添加一個單位增益緩沖放大器，例如上一教程中看到的電壓跟隨器。

這為我們提供了一個具有非常高輸入阻抗和低輸出阻抗的差分放大器電路，因為它由兩個同相緩沖器和一個差分放大器組成。這構成了大多數(shù)“儀表放大器”的基礎。

（3）高輸入阻抗儀表放大器

儀表放大器（儀表放大器）是非常高增益的差分放大電路，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控制系統(tǒng)中的應變儀、熱電偶或電流傳感設備的非常小的差分信號。

與標準運算放大器不同，標準運算放大器的閉環(huán)增益由連接在其輸出端子和一個輸入端子（正或負）之間的外部電阻反饋決定，“儀表放大器”具有與其輸入端子有效隔離的內部反饋電阻因為輸入信號施加在兩個差分輸入V1和V2上。

儀表放大器還具有非常好的共模抑制比，CMRR（當V 1 = V 2時為零輸出）在直流時遠遠超過 100dB。下面給出了具有高輸入阻抗（ Zin ）的三運放儀表放大器的典型示例：

高輸入阻抗儀表放大器

兩個同相放大器形成一個差分輸入級，用作緩沖放大器，差分輸入信號的增益為1 + 2R2/R1，共模輸入信號的增益為單位增益。由于放大器 A1 和 A2 是閉環(huán)負反饋放大器，我們可以預期 Va 處的電壓等于輸入電壓 V1。同樣， Vb 處的電壓等于 V2 處的值。

由于運算放大器在其輸入端子（虛擬接地）處沒有電流，因此相同的電流必須流過連接在運算放大器輸出端的 R2、R1 和 R2 三個電阻網絡。這意味著 R1 上端的電壓將等于 V1 ， R1 下端的電壓將等于 V2 。

這會在電阻 R1 上產生一個電壓降，該電壓降等于輸入 V1 和 V2 之間的電壓差，即差分輸入電壓，因為每個放大器的求和點處的電壓 Va 和 Vb 等于施加到其正輸入的電壓。

但是，如果在放大器輸入端施加共模電壓，則 R1 兩側的電壓將相等，并且沒有電流流過該電阻。由于沒有電流流過 R1（因此，也沒有流過兩個 R2 電阻，放大器 A1 和 A2 將作為單位增益跟隨器（緩沖器）運行。由于放大器 A1 和 A2 輸出端的輸入電壓在三個電阻網絡上出現(xiàn)差異，電路的差分增益可以通過改變 R1 的值來改變。

差分運算放大器 A3 用作減法器的電壓輸出只是其兩個輸入（ V2 – V1 ）之間的差值，并被 A3 的增益放大，該增益可能為 1（假設R3 = R4）。

然后我們有一個儀表放大器電路的總電壓增益的一般表達式為：

儀表放大器公式：