差分放大器主要應(yīng)用在哪些范圍？

放大器" target="_blank">差分放大器(英語(yǔ)：differential amplifier、difference amplifier，也稱：差動(dòng)放大器、差放)，是一種將兩個(gè)輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器。差分放大器(英語(yǔ)：differential amplifier、difference amplifier，也稱：差動(dòng)放大器、差放)，是一種將兩個(gè)輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器。差分放大器是一種常用的電子放大器(也稱“功率放大器”，簡(jiǎn)稱“功放”)和發(fā)射極耦合邏輯電路(英語(yǔ)：EmitterCoupledLogic, ECL)的輸入級(jí)。若差放的兩個(gè)輸入為

和，則它的輸出為：其中是差模(動(dòng))增益(differential-mode gain)是共模增益(common-mode gain)。通常以差模增益和共模增益的比值共模抑制比(common-moderejectionratio, CMRR)衡量差分放大器消除共模信號(hào)的能力：

由上式可知，當(dāng)共模增益時(shí)。越大，

就越低，因此共模抑制比也就越大。因此對(duì)于完全對(duì)稱的差分放大器來(lái)說(shuō)，其，故輸出電壓可以表示為：差分放大器是普通的單端輸入放大器的一種推廣，只要將差放的一個(gè)輸入端接地，即可得到單端輸入的放大器。很多系統(tǒng)在差分放大器的一個(gè)輸入端輸入輸入信號(hào)，另一個(gè)輸入端輸入反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。常用于電機(jī)或者伺服電機(jī)控制，以及信號(hào)放大。在離散電子學(xué)中，實(shí)現(xiàn)差分放大器的一個(gè)常用手段是差動(dòng)放大，見于多數(shù)運(yùn)算放大器集成電路中的差分電路。

差分運(yùn)算放大器(Differential Amplifier)就是一種能夠放大兩個(gè)輸入信號(hào)差值的電子器件，可以在許多電路中起到重要的作用。

差分運(yùn)算放大器的工作原理非常簡(jiǎn)單。它有兩個(gè)輸入端口，分別稱為非反相輸入端口和反相輸入端口。當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)的電壓不同時(shí)，差分運(yùn)算放大器會(huì)將它們的差值放大，這也是它得名的原因。

差分運(yùn)算放大器在電路中有廣泛的應(yīng)用。比如，在音頻放大器中，差分運(yùn)算放大器可以用來(lái)減少噪聲，提高音質(zhì)。在測(cè)量系統(tǒng)中，它可以用來(lái)放大微弱的信號(hào)，提高系統(tǒng)的靈敏度。在模擬信號(hào)處理電路中，它可以用來(lái)進(jìn)行濾波、放大、采樣等操作。

差分運(yùn)算放大器的優(yōu)勢(shì)還不止于此。它還具有高增益、低噪聲、高輸入阻抗等特點(diǎn)，能夠幫助工程師們處理復(fù)雜的信號(hào)。

那么差分運(yùn)算放大器的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些呢?它可以用來(lái)進(jìn)行信號(hào)放大。比如，當(dāng)你需要將微弱的信號(hào)放大到足以被其他電路處理時(shí)，就可以使用差分運(yùn)算放大器。它可以用來(lái)進(jìn)行信號(hào)濾波。比如，當(dāng)你需要在電路中去除某些頻率的噪聲時(shí)，就可以使用差分運(yùn)算放大器來(lái)濾波。它還可以用來(lái)進(jìn)行信號(hào)采樣、比較等操作。

當(dāng)然，差分運(yùn)算放大器也有一些限制。比如，它對(duì)輸入信號(hào)的共模電壓有一定的要求，如果共模電壓太高，就會(huì)影響放大器的工作。它還需要外部電路來(lái)進(jìn)行電源濾波、反饋控制等操作，需要一些的知識(shí)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。

總體來(lái)說(shuō)，差分運(yùn)算放大器是一種非常有用的電子器件，可以幫助工程師們處理復(fù)雜的信號(hào)。如果你需要進(jìn)行信號(hào)處理，那么差分運(yùn)算放大器一定是你不可或缺的好幫手!

差分放大器是模擬集成電路設(shè)計(jì)中使用最廣泛的模塊。 差分放大器基本上是一種電子電路，由兩個(gè)輸入組成，以負(fù)反饋配置運(yùn)行的反相和同相輸入。 差分放大器基本上放大了這兩個(gè)輸入端子中施加的輸入電壓之間的差異，并拒絕了這兩個(gè)輸入端子的任何公共信號(hào)

基本上，所有運(yùn)算放大器都是差分放大器，因?yàn)樗鼈兌季哂邢嗤妮斎肱渲谩? 如果將輸入電壓信號(hào)施加到輸入引腳之一上，并且將另一個(gè)電壓信號(hào)施加到另一個(gè)引腳上而不是接地，則所得的輸出電壓與連接在兩個(gè)相應(yīng)輸入端子中的兩個(gè)輸入電壓之間的差異成比例

與差分放大器有關(guān)的一些重要術(shù)語(yǔ)

差分輸入電阻:

在圖中，我們?cè)O(shè)置了條件，并設(shè)置了R1 = R.3 和R2 = R.4。

考慮到虛擬短路的概念，我們可以編寫以下循環(huán)方程式，

Vi = iR1 + 紅外線1 = i(2R1)

因此，輸入電阻為Ri = 2R1

共模輸入信號(hào):

：在理想差動(dòng)放大器中，共模輸入Vcm將使輸入(Vi1 + Vcm)和(Vi2 + Vcm)，即被加到每個(gè)輸入施加電壓上，因此，當(dāng)兩個(gè)輸入電壓之差被獲取并放大時(shí)，它將被抵消。

輸出V0 當(dāng)V時(shí)為零i1 V =i2。 但是，如果這些電阻比不精確相等，即

，因此，共模電壓Vcm 不會(huì)完全取消。

由于實(shí)際上不可能有完全精確的電阻比，因此很可能會(huì)出現(xiàn)一些共模輸出電壓。

當(dāng)Vi1 V =i2，該輸入稱為共模輸入信號(hào)。 共模輸入電壓可以表示為

共模增益可以表示為

共模抑制比(CMRR)：

CMRR可以解釋為差分增益與共模增益之比的模值。 基本上，差分放大器具有抑制共模輸入信號(hào)的能力。

CMRR =

通常，CMRR以dB表示，

CMRR(dB)=

在理想情況下，共模抑制比是無(wú)限的。 在實(shí)際的差分放大器情況下，我們希望CMRR盡可能大。

差分放大器的應(yīng)用

惠斯通電橋差分放大器

在這種情況下，電阻器以惠斯通電橋(電阻)的方式布置，可以通過(guò)比較輸入電壓作為差分電壓比較器。

當(dāng)在惠斯通電橋網(wǎng)絡(luò)的一端施加固定的參考輸入電壓，在網(wǎng)絡(luò)的另一端施加熱敏電阻或光敏電阻(LDR)時(shí)，該電路可用于檢測(cè)不同水平的溫度或光強(qiáng)度。 該差分運(yùn)算放大器電路的輸出電壓是電路的熱敏電阻或LDR的有源端之差的線性函數(shù)。

惠斯通電橋差分電路用于通過(guò)作為跨各個(gè)電阻的輸入電壓之間比較器的產(chǎn)品來(lái)計(jì)算未知電阻的值。

光敏差分放大器

與光有關(guān)的差分電路用作與光有關(guān)的開關(guān)，借助繼電器，該輸出將使輸出為“開”或“關(guān)”。 在V1處施加的電壓設(shè)置放大器的跳變點(diǎn)(提供閾值)，可變電阻用作電位計(jì)VR2 用于遲滯切換。

在差分放大器的反相端子上，連接了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光敏電阻，該電阻根據(jù)入射到其上的光量來(lái)改變其電阻值。 LDR中存在的光電二極管電阻與光強(qiáng)度成正比，并且隨著光強(qiáng)度的增加而降低，因此，可變電阻器VR取決于點(diǎn)V2的電壓電平也將變化，并且取決于其是否高于閾值點(diǎn)或低于閾值點(diǎn)1 將指示其值。

現(xiàn)在，當(dāng)光入射到光敏電阻器(LDR)時(shí)，根據(jù)其強(qiáng)度，無(wú)論是超過(guò)還是保持在同相輸入端子V1的設(shè)定閾值以下，輸出都會(huì)顯示為ON或OFF。

可以借助電位計(jì)VR來(lái)調(diào)節(jié)照明水平跳閘或閾值位置1 和開關(guān)磁滯電位器VR2。 因此，以這種方式，可以使用差分放大器來(lái)制造光敏開關(guān)。

可以通過(guò)替換VR將電路配置為檢測(cè)溫度變化1 以及帶有熱敏電阻和合適的可變電阻器的LDR，以檢測(cè)熱或冷。 差分放大器的缺點(diǎn)在于，與其他運(yùn)算放大器電路配置相比，其輸入阻抗要低得多。 差分放大器電路適用于低阻抗源，但不適用于高阻抗源。 通過(guò)使用單位增益緩沖器放大器，可以解決此問題。

差分放大器

[英]Differential amplifier

由兩個(gè)參數(shù)特性相同的晶體管用直接耦合方式構(gòu)成的放大器。若兩個(gè)輸入端上分別輸入大小相同且相位相同的信號(hào)時(shí)，輸出為零，從而克服零點(diǎn)漂移。適于作直流放大器。

差分放大器是一種將兩個(gè)輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器，有時(shí)簡(jiǎn)稱為“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器(簡(jiǎn)稱“功放”)和發(fā)射極耦合邏輯電路 (ECL, Emitter Coupled Logic) 的輸入級(jí)。

差分放大器是普通的單端輸入放大器的一種推廣，只要將差放的一個(gè)輸入端接地，即可得到單端輸入的放大器。

很多系統(tǒng)在差分放大器的一個(gè)輸入端輸入輸入信號(hào)，另一個(gè)輸入端輸入反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。常用于電機(jī)或者伺服電機(jī)控制，以及信號(hào)放大。在離散電子學(xué)中，實(shí)現(xiàn)差分放大器的一個(gè)常用手段是差動(dòng)放大，見于多數(shù)運(yùn)算放大器集成電路中的差分電路。

下圖為差分放大器電路圖，未顯示偏置等電路。

差分放大器是基本放大電路之一，由于它具有抑制零點(diǎn)漂移的優(yōu)異性能，因此得到廣泛的應(yīng)用，并成為集成電路中重要的基本單元電路，常作為集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)。

差分放大器電路圖，未顯示偏置等電路。

典型的差分放大器電路如圖1所示。即使在不對(duì)稱的情況下，它也能較好地放大差模信號(hào)，而對(duì)共模信號(hào)的放大能力則很差，從而抑制了零點(diǎn)漂移。這一電路的特點(diǎn)，是在發(fā)射極串聯(lián)了一個(gè)電阻Re。通常Re取值較大，由于分占了穩(wěn)壓電源較大的電壓，使兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)處于不合理的位置，因此引進(jìn)輔助電源EE(一般取EE = -EC)，以抵消Re上的直流壓降，并為基極提供適當(dāng)?shù)钠谩?

如圖1所示，當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)，T1管的ic1增加，T2管的ic2減小，增減的量相等，因此兩管的電流通過(guò)Re的信號(hào)分量相等但方向相反，他們相互抵消，所以Re可視為短路，這時(shí)圖1中的差分放大器就變成了沒有Re的基本差分放大器電路，它對(duì)差模信號(hào)具有一定的放大能力。

對(duì)于共模信號(hào)，兩管的共模電流在Re上的方向是相同的，在取值較大的Re上產(chǎn)生較大的反饋電壓，深度的負(fù)反饋把放大倍數(shù)壓得很低，因此抑制了零點(diǎn)漂移。

從上述可知，對(duì)差分放大器來(lái)說(shuō)，其放大的信號(hào)分為兩種：一種是差模信號(hào)，這是需要放大的有用的信號(hào)，這種信號(hào)在放大器的雙端輸入時(shí)呈現(xiàn)大小相等，極性相反的特性;另一種是共模信號(hào)，這是要盡量抑制其放大作用的信號(hào)。

差模電壓放大倍數(shù)

對(duì)于差模信號(hào)，由于Uid1 = -Uid2，故射極電阻Re上的電流相互抵消，其壓降保持不變，即 ?UE = 0，可得到差模輸入時(shí)的交流等效電路，如圖2所示，由于電路對(duì)稱，每個(gè)半邊與單管共射極放大器完全一樣。

雙端輸入——雙端輸出差分放大器的差模電壓放大倍數(shù)為：

可見Aud與單管共射極放大器的電壓放大倍數(shù)Au相同。

考慮負(fù)載RL后，雙端輸入——雙端輸出差分放大器的差模電壓放大倍數(shù)為：

共模電壓放大倍數(shù)

當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)，Re上的壓降為?UE=2?IERe，在畫等效電路時(shí)把兩管拆開，流過(guò)射極電路的電流為IE，為了保持電壓?UE不變，應(yīng)把每管的發(fā)射極電阻Re增加一倍，因此共模輸入時(shí)的交流通路如圖3所示。當(dāng)從兩管的集電極輸出時(shí)，如果電路完全對(duì)稱，則輸出電壓Uoc= Uoc1-Uoc2=0，因此雙端輸出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)Auc為：

從上述討論可知，共模電壓放大倍數(shù)越小，對(duì)共模信號(hào)的抑制作用就越強(qiáng)，放大器的性能就越好。在電路完全對(duì)稱的條件下，雙端輸出的差分放大器對(duì)共模信號(hào)沒有放大能力，完全抑制了零點(diǎn)漂移。實(shí)際上，電路不可能完全對(duì)稱，Auc并不為零，但由于Re的負(fù)反饋?zhàn)饔茫瑢?duì)共模信號(hào)的抑制能力還是很強(qiáng)的。在Re取值足夠大的情況下，即使是單端輸出，也能把Auc1壓得很低。如果電路不對(duì)稱，則(4)式不為零，所以雙端輸入——雙端輸出時(shí)的Auc應(yīng)寫成：

Auc = Auc1 -Auc2 (7)

共模抑制比

共模抑制比指差分放大器的差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，即：

上式表明，提高共模抑制比的主要途徑是增加Re的阻值。但當(dāng)工作電流給定后，加大Re勢(shì)必要提高 |EC|。

為了在不用提高|EC|的情況下 ，能夠顯著地增大Re，可用晶體管構(gòu)成的恒流源來(lái)代替Re，如圖4中所示的T3，只要保證T3的UCEQ (1 ~ 2)V，則T3管“集—射”之間的交流阻抗可達(dá)幾十k歐姆~幾M歐姆。

圖4電路中的元件值分別為：

Rb11 = Rb12 = 300k歐姆， Rb21 = Rb22 = 22 k歐姆， Rc1 = Rc2 = 10k歐姆， R = 510歐姆，R2 = 270 k歐姆，Re3 = 1.2 k歐姆，RL = 100 k歐姆，RW為150歐姆電位器，T3為3DG6，T1、T2為3DG6對(duì)管，2CW1S為穩(wěn)壓管。