一、基本概念

差分放大電路，又稱為差動(dòng)放大電路，是將兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行差運(yùn)算，然后將差值放大輸出的電路。這種電路在模擬電子電路中廣泛應(yīng)用，特別是在需要抑制共模噪聲和放大微弱信號(hào)的場(chǎng)景中。

二、工作原理

1. 差分信號(hào)與共模信號(hào) ：
   • 差分信號(hào) ：指兩個(gè)輸入信號(hào)之間的差值。在差分放大電路中，我們關(guān)注的是這個(gè)差值，因?yàn)樗砹藢?shí)際有用的信號(hào)。
   • 共模信號(hào) ：指同時(shí)作用于兩個(gè)輸入端且幅度和相位都相同的信號(hào)。這種信號(hào)通常是由電源噪聲、接地回路干擾等引起的，是不希望被放大的部分。
2. 信號(hào)輸入 ：
   • 輸入信號(hào)V1和V2通過R1和R2分壓器網(wǎng)絡(luò)輸入到運(yùn)放的正、負(fù)輸入端。這兩個(gè)信號(hào)可以是任意波形，但差分放大電路主要關(guān)注它們的差值。
3. 信號(hào)放大 ：
   • 運(yùn)放（運(yùn)算放大器）是差分放大電路的核心部件，它負(fù)責(zé)放大差分信號(hào)。由于運(yùn)放的開環(huán)增益極大，因此可以放大微小的電壓差異。
   • 當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)的差值不為零時(shí)，運(yùn)放會(huì)輸出一個(gè)放大了的差分信號(hào)。這個(gè)輸出信號(hào)是差分信號(hào)經(jīng)過放大得到的，而共模信號(hào)則被有效抑制。
4. 共模抑制 ：
   • 由于差分放大電路的對(duì)稱性，它對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。理想情況下，共模輸出為零，即共模信號(hào)不會(huì)被放大。
   • 這使得差分放大電路在抑制電源噪聲、接地回路干擾等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
5. 反饋機(jī)制 ：
   • 差分放大電路通常采用負(fù)反饋機(jī)制來降低電路的放大倍數(shù)和避免信號(hào)失真。負(fù)反饋電路將放大電路的輸出信號(hào)通過反饋網(wǎng)絡(luò)反饋回輸入端，從而抑制噪聲和減小失真。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

差分放大電路在模擬電路、功率放大器、電源調(diào)節(jié)器、傳感器放大器、過壓保護(hù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。特別是在需要高精度、高信噪比和低噪聲的應(yīng)用場(chǎng)景中，差分放大電路更是不可或缺。

運(yùn)放組成的差分放大電路

來自傳感器的信號(hào)往往很微弱，需要運(yùn)放進(jìn)行放大，以便后續(xù)的數(shù)字化處理。圖一為基本差分放大電路，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的電路，當(dāng)電阻值滿足：Rf/R1=R3/R2=K時(shí),

Uo=K(Ui2-Ui1) ,K為差動(dòng)放大倍數(shù)，圖一的K=10 ;

由于有同相端的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和反相端的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的存在，使得該電路的輸入電阻不夠大，如信號(hào)源的內(nèi)阻比較大或是變化的，將會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生較大的誤差，換而言之，這種差分電路只能配低內(nèi)阻信號(hào)源；同時(shí)該電路要求Rf/R1精確等于R3/R2，否則差分輸入和輸出之間將不是正比例線性函數(shù)關(guān)系，會(huì)同時(shí)放大共模信號(hào)，共模抑制比就會(huì)急劇下降，換句話說，該電路所用的電阻必須是低溫漂的高精度電阻。

圖一 基本差分放大器

為解決圖一電路無法處理高內(nèi)阻傳感器信號(hào)的問題，可在差放電路的兩個(gè)輸入端各加一個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行緩沖隔離，如圖二所示。電壓跟隨器輸入電阻極高，可認(rèn)為斷路，不取用傳感器電流，不影響傳感器信號(hào)的大?。桓S器的輸出此時(shí)是差放電路的信號(hào)源，其輸出電阻很低，可忽略其存在，就能滿足該電路對(duì)低內(nèi)阻信號(hào)源的要求。

圖二 帶緩沖器的基本差分放大電路

圖一所示的基本差分放大電路，其外接的四個(gè)電阻需要嚴(yán)格挑選，精確度要求很高，不易滿足。一般選用將四個(gè)電阻集成在芯片內(nèi)部的差分放大器。光刻芯片時(shí)，利用激光微調(diào)技術(shù)，可將四個(gè)電阻校準(zhǔn)到極高的精度。INA143就是集成的基本差分放大器芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及示例如圖三所示。

圖三 集成差分放大器構(gòu)成的電路

二、圖四是同相比例電路，平衡電阻R2=R1//Rf ,由I+ =0,知Up=Ui ;在深度負(fù)反饋條件下，Un=Up=Ui，即輸入電位轉(zhuǎn)移到了N點(diǎn)，使得Un=Ui ；易推導(dǎo)出Uo=(1+Rf/R1)Ui ,當(dāng)斷開R1(即R1=無窮大)時(shí)，Uo=Ui，輸出跟隨輸入，得到圖五所示的電壓跟隨器電路。現(xiàn)根據(jù)前面提及的電路，說明圖六所示三運(yùn)放構(gòu)成的差分放大電路。

圖四 同相比例放大電路

圖五 電壓跟隨器

圖六 三運(yùn)放差分放大電路

圖六所示的三運(yùn)放差分放大電路由兩級(jí)差動(dòng)放大電路組成，A1、A2構(gòu)成第一級(jí)差放電路，是兩個(gè)同相比例電路的組合。由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，使輸入電阻大大增加，可視為斷路，又使輸出電阻大大減小，可視為零，為第二級(jí)基本差放電路創(chuàng)造了優(yōu)良的工作條件；A3構(gòu)成了第二級(jí)差放電路。

四、總結(jié)

差分運(yùn)放放大電路通過放大差分信號(hào)并抑制共模信號(hào)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效放大和噪聲的抑制。其工作原理基于差分信號(hào)的放大和共模信號(hào)的抑制以及反饋機(jī)制的應(yīng)用。這種電路在模擬電子電路中占據(jù)重要地位，并在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
差分運(yùn)放放大電路在模擬信號(hào)處理、通信系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。特別是在需要高精度、高信噪比和低噪聲的應(yīng)用場(chǎng)景中，如音頻放大器、傳感器放大器、過壓保護(hù)電路等，差分運(yùn)放放大電路更是不可或缺。

綜上所述，差分運(yùn)放放大電路通過差分信號(hào)放大和共模信號(hào)抑制以及反饋機(jī)制的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的有效放大和噪聲的抑制。其獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能特性使得它在模擬電子電路中占據(jù)重要地位，并在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。