差分放大器的基本工作原理是怎樣的？

差分放大器

差分放大器是能把兩個輸入電壓的差值加以放大的電路。能把兩個輸入電壓的差值加以放大的電路，也稱差動放大器。這是一種零點漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。

它可以是平衡(術語"平衡"意味著差分)輸入和輸出，也可以是單端(非平衡)輸入和輸出，常用來實現(xiàn)平衡與不平衡電路的相互轉(zhuǎn)換，是各種集成電路的一種基本單元。

工作原理

雖然運放電路為典型的雙端輸入、單端輸出的三端器件，但上文所述多為單端應用(即一端用于信號輸入，一端接地)，由此可以看出任一信號回路的兩端特性，一端接地，一端即信號。就同相放大器而言，信號輸入同相端，反相器必有接地回路;就反相放大器而言，信號從反相輸入端進入，則同相端即為接地端。由接地回路的不同，甚至也可以判斷放大器類型為同相放大器亦或反相放大器。

如果有兩路輸入信號，分別從兩個輸入端同時輸入，即雙端輸入，單端輸出的工作模式，即為差分放大器(亦名減法器)。

差分放大器的特點

(1)對單電源供電的放大器電路，其輸出端(即Q1\Q2的C極)靜態(tài)工作點為1/2Vcc最為適宜，能保障其最大動態(tài)輸出范圍。只要RC1、RB1等偏置元件取值合適，則可使UC1、UC2的靜態(tài)電壓為2.5V，即靜態(tài)差分輸出電壓2.5V-2.5V=0V;

(2)電路設計盡可能使Q1、Q2的靜態(tài)工作參數(shù)一致，二者構成“鏡像”電路，RE為電流負反饋電阻，其直流電阻小，動態(tài)電阻極大(流過的電流近乎恒定)，以提升電路的差分性能。

(3)當IN+=IN-時，或者二者信號電壓同步升降時，OUT+、OUT-端電壓也在同步升降，且升、降幅度相等，其輸差分輸出值仍會為0V。如二路輸入信號在靜態(tài)基礎上產(chǎn)生了Q1、Q2基極電流的同樣增量，則集電極電壓會產(chǎn)生下降，如由2.5V降低為1.5V時，則UC1-UC2=1.5V-1.5V=0V，這說明電路對共模輸入信號不予理會，具備優(yōu)良的抗干擾性能。

眾所周知，RS485通訊電路，就是利用差分總線傳輸方式，產(chǎn)生了強有力的抗干擾效果。

(4)當IN+、IN-輸入信號在靜態(tài)基礎上有相對變化，即IN+-IN-≠0時，如IN+輸入電壓往正方向變化時，OUT-會往負方向變化(同時OUT+會往正方向變化)，使得兩個輸出端反向偏離2.5V產(chǎn)生了信號輸出。當OUT-為1.5V，OUT+為3.5V時，此時使產(chǎn)生了2V的信號電壓輸出。

功率放大器，簡稱功放，用于增強信號功率以驅(qū)動音箱發(fā)聲的一種電子裝置。不帶信號源選擇、音量控制等附屬功能的功率放大器稱為后級。

前置放大器 ，功放之前的預放大和控制部分，用于增強信號的電壓幅度，提供輸入信號選擇，音調(diào)調(diào)整和音量控制等功能。前置放大器也稱為前級。

前置放大器的作用是將激光唱機、電唱盤、磁帶卡座、調(diào)諧器等送來的信號進行各種處理與放大，以便為功率放大器準備適宜的電信號，同時它可具有音量調(diào)節(jié)、音調(diào)調(diào)節(jié)等功能。功率放大器的作用是將前置放大器送來的信號，放大到足夠推動相應揚聲器所需的功率。

功率放大器的分類

功率放大器電路的劃分主要是由功放級輸出電路形式來決定，常見的音頻功率放大器主要有下列幾種：

(1) 變壓器耦合甲類放大器電路主要用于電子管放大器中;

(2)變壓器耦合推挽功率放大器電路主要用于一些輸出功率較大的電子管放大器中;

(3)OTL功率放大器電路主要用于一些輸出功率較小的放大器中;

(4)OCL功率放大器是一種常用的放大器電路，常用于一些輸出功率要求較大的功率放大器中;

(5)BTL功率放大器電路主要用于一些要求輸出功率更大的場合。 OTL、OCL和BTL功率放大器電路主要用于晶體管放大器中。

傳統(tǒng)的數(shù)字語音回放系統(tǒng)包含兩個主要過程：

(1)數(shù)字語音數(shù)據(jù)到模擬語音信號的變換(利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC)實現(xiàn);

(2)利用模擬功率放大器進行模擬信號放大，如A類、B類和AB類放大器。從1980年代早期，許多研究者致力于開發(fā)不同類型的數(shù)字放大器，這種放大器直接從數(shù)字語音數(shù)據(jù)實現(xiàn)功率放大而不需要進行模擬轉(zhuǎn)換，這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類放大器。

A類放大器：

A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，效率的理論最大值僅有25%，且有較大的非線性失真。由于效率比較低。

B類放大器：

B類放大器的主要特點是：放大器的靜態(tài)點在(VCC，0)處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導通Q2截止，輸出端正半周正弦波;同理，當Vi為負半波正弦波，所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點是“交越失真”較大。即當信號在-0.6V~ 0.6V之間時，Q1、Q2都無法導通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設計師摒棄。

AB類放大器：

AB類放大器的主要特點是：晶體管的導通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點。

D類放大器：

D類(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號,然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關放大器。具有效率高的突出優(yōu)點。數(shù)字音頻功率放大器也看上去成是一個一比特的功率數(shù)模變換器.放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成。D類放大或數(shù)字式放大器。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關電路來放大音頻信號的。

優(yōu)點：

(1)具有很高的效率，通常能夠達到85%以上;

(2)體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間;

(3)無裂噪聲接通;

(4)低失真，頻率響應曲線好。外圍元器件少，便于設計調(diào)試。

差動放大電路也稱差分放大電路，是一種對零點漂移具有很強抑制能力的基本放大電路。差動放大原理電路如圖Z0501所示。它由兩個對稱的共射極基本放大電路組成：其中，T1、T2是兩個特性完全相同的晶體管、Rb1=Rb2、Rc1 = Rc2、Rs1=Rs2。這種理想的對稱結構在當前集成電路工藝方面是基本上可以接近的。圖示電路中，信號從兩管的基極輸入，從兩管的集電極輸出，這種連接方式稱為雙端輸入-雙端輸出方式。

由圖可見，當輸入端短路時，輸出電壓為：

UO = UC1 - UC2 = (Ec - IC1RC1)- (Ec - IC2RC2)= (IC2 - IC1)RC

由于電路對稱，IC1 = IC2，則輸出電壓等于零。

當溫度變化時，因兩管電流變化規(guī)律相同，兩管集電極電壓漂移量也完全相同，從而使雙端輸出電壓始終為零。也就是說，依靠電路的完全對稱性，使兩管的零點漂移在輸出端相抵消，因此，零點漂移被抑制。

圖所示電路僅是差動放大電路的雛型，它還存在許多問題，不能作為實用電路。其原因是：(1)要做到電路完全對稱，是十分困難的，甚至是不可能的;(2)若需要從某個管子集電極輸出(單端輸出)時，則輸出零點漂移仍然很大;(3)單端輸出漂移大，會影響下一級直流工作狀態(tài)。

基本差動放大電路如圖Z0502所示。它是在圖Z0501電路的基礎之上增加了一個公共的發(fā)射極電阻Re。圖中Rw為調(diào)零電位器，調(diào)整它可以使IC1 = IC2 。輔助電源 - Ec 的作用是補償Re上的直流壓降，以保證管子有合適的靜態(tài)工作點。此外，采用雙電源供電，可以使UB1=UB2≈0，從而使電路既能適應正極性輸入信號，也能適應負極性輸入信號，擴大了應用范圍。

差分放大器的工作原理

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

如果Q1 Q2的特性很相似，則Va,Vb將同樣變化。例如，Va變化+1V，Vb也變化+1V，因為輸出電壓VOUT=Va-Vb=0V,即Va的變化與Vb的變化相互抵消。這就是差動放大器可以作直流信號放大的原因。 若差放的兩個輸入為

，則它的輸出Vout為：

其中Ad是差模增益 (differenTIal-mode gain)，Ac是共模增益 (common-mode gain)。

因此為了提高信/噪比，應提高差動放大倍數(shù)，降低共模放大倍數(shù)。二者之比稱做共模仰制比(CMRR, common-mode rejecTIon raTIo)。共模放大倍數(shù)AC可用下式求出：

Ac=2Rl/2Re

通常以差模增益和共模增益的比值共模抑制比 (CMRR, common-mode rejecTIon ratio) 衡量差分放大器消除共模信號的能力：

由上式可知，當共模增益Ac→0時，CMRR→∞。Re越大，Ac就越低，因此共模抑制比也就越大。因此對于完全對稱的差分放大器來說，其Ac = 0，故輸出電壓可以表示為：

所謂共模放大倍數(shù)，就是Va，Vb輸入相同信號時的放大倍數(shù)。如果共模放大倍數(shù)為0，則輸入噪聲對輸出沒有影響。

要減小共模放大倍數(shù)，加大RE就行通常使用內(nèi)阻大的恒流電路來帶替RE

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輸入端輸入反饋信號，另一個輸入端輸入反饋信號，從而實現(xiàn)負反饋。常用于電機或者伺服電機控制，穩(wěn)壓電源，測量儀器以及信號放大。在離散電子學中，實現(xiàn)差分放大器的一個常用手段是差動放大，見于多數(shù)運算放大器集成電路中的差分電路。

單端輸出的差動放大電路 (不平衡輸出)

稱為單端Single ended或不平衡輸出Unbalance Output。

單端較差動輸出之幅度小一倍，使用單端輸出時，共模訊號不能被抑制，因Vi1與Vi2同時增加，VC1與VC2則減少，而且VC1=VC2，但Vo =VC2，并非于零(產(chǎn)生零點漂移)。

但是加大RE阻值可以增大負回輸而抑制輸出，并且抑制共模訊號，因Vi1=Vi2時，

Ii1及Ii2也同時增加，IE亦上升而令VE升高，這對Q1和Q2產(chǎn)生負回輸，

令Q1和Q2之增益減少，即Vo減少。

當差動訊號輸入時，Vi1 = -Vi2，IC1增加而IC2減少，總電流IE = IC1 + IC2便不變，

因此VE也不變，加大RE電阻值之電路會將差動訊號放大，不會對Q1及Q2產(chǎn)生負回輸

及抑制。

。

b)減低功率消耗(相對純電阻來說)。

c)提高差動放大之輸出電壓。

d)提高共模抑制比CMRR。

即差動輸入，則IC1升而IC2下降(并且，ΔIC1 = ΔIC2)

因電流鏡像原理，IC4 = IC1

故此，Io = IC4 IC2 = IC1 IC2 (ΔIo = 2ΔIC1或2ΔIC2)

這說明了輸出電流是IC1和IC2的相差，即將輸出變?yōu)榫哂须p端差動輸出性能的單端輸出 (故對共模訊號之抑制有改善因雙端差動輸出才能產(chǎn)生消除共模訊號作用)。

IC2減少使Q2之VCE增加，使Vo上升而IC4增加，使Q4之VCE減少，這也是使Vo增加，

故此，Vo上升之幅度是使用電阻為負載之單端輸出電壓大一倍。