如何使用運(yùn)算放大器作為差分放大器來查找兩個(gè)電壓值之間的電壓差

運(yùn)算放大器最初是為模擬數(shù)學(xué)計(jì)算而開發(fā)的，從那時(shí)起，它們已被證明在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中是有用的。正如我的教授所說，運(yùn)算放大器是算術(shù)電壓計(jì)算器，它們可以使用求和放大器電路對兩個(gè)給定電壓值進(jìn)行加法運(yùn)算，并使用差分放大器對兩個(gè)電壓值進(jìn)行差分運(yùn)算。除此之外，運(yùn)算放大器也通常用作反相放大器和非反相放大器。

我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了如何使用運(yùn)算放大器作為電壓加法器或求和放大器，因此在本教程中，我們將學(xué)習(xí)如何使用運(yùn)算放大器作為差分放大器來查找兩個(gè)電壓值之間的電壓差。它也被稱為電壓減速器。我們還將在面包板上嘗試電壓減法器電路，并檢查電路是否按預(yù)期工作。

運(yùn)算放大器基礎(chǔ)

在我們深入研究差分運(yùn)算放大器之前，讓我們快速瀏覽運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)知識(shí)。運(yùn)算放大器是一個(gè)五端設(shè)備(單封裝)，有兩個(gè)端子(Vs+, Vs-)為設(shè)備供電。在其余三個(gè)端子中，兩個(gè)(V+, V-)用于稱為反相和非反相端子的信號(hào)，其余一個(gè)(Vout)是輸出端子。運(yùn)算放大器的基本符號(hào)如下所示。

運(yùn)算放大器的工作非常簡單，它從兩個(gè)引腳(V+, V-)接收不同的電壓，通過增益值將其放大并將其作為輸出電壓(Vout)。運(yùn)算放大器的增益可以非常高，使其適合音頻應(yīng)用。始終記住，運(yùn)算放大器的輸入電壓應(yīng)小于其工作電壓。要了解更多關(guān)于運(yùn)算放大器的知識(shí)，請查看其在各種基于運(yùn)算放大器的電路中的應(yīng)用。

對于理想運(yùn)算放大器，輸入阻抗將非常高，即沒有電流通過輸入引腳(V+, V-)流入或流出運(yùn)算放大器。為了理解運(yùn)放的工作原理，我們可以將運(yùn)放電路大致分為開環(huán)和閉環(huán)。

運(yùn)算放大器開環(huán)電路(比較器)

在開環(huán)運(yùn)放電路中，輸出引腳(Vout)不與任何輸入引腳連接，即不提供反饋。在這種開環(huán)條件下，運(yùn)算放大器起比較器的作用。一個(gè)簡單的運(yùn)算放大器比較器如下所示。請注意，Vout引腳沒有與輸入引腳V1或V2連接。

在這種情況下，如果提供給V1的電壓大于V2，輸出Vout將變高。同樣，如果提供給V2的電壓大于V1，則輸出Vout將變低。

運(yùn)算放大器閉環(huán)電路(放大器)

在閉環(huán)運(yùn)放電路中，運(yùn)放的輸出引腳與任意一個(gè)輸入引腳連接以提供反饋。這種反饋被稱為閉環(huán)連接。在閉環(huán)期間，運(yùn)算放大器作為放大器工作，在此模式下，運(yùn)算放大器發(fā)現(xiàn)許多有用的應(yīng)用，如緩沖器，電壓跟隨器，反相放大器，非反相放大器，求和放大器，差分放大器，電壓減法器等。如果Vout引腳連接到反相終端，那么它被稱為負(fù)反饋電路(如下所示)，如果它連接到非反相終端，它被稱為正反饋電路。

差分放大器或電壓減速器

現(xiàn)在讓我們進(jìn)入我們的主題，差分放大器。差分放大器基本上是接收兩個(gè)電壓值，找出這兩個(gè)值之間的差值并放大它。由此產(chǎn)生的電壓可以從輸出引腳獲得。一個(gè)基本的差分放大電路如下所示。

但是等等!在默認(rèn)情況下，即使沒有反饋，運(yùn)算放大器也不就是這樣做的嗎?它接受兩個(gè)輸入，并在輸出引腳上提供它們的差異。那我們?yōu)槭裁葱枰@么多漂亮的電阻呢?

是的，但是運(yùn)放在開環(huán)(無反饋)中使用時(shí)將具有非常高的不受控制增益，這實(shí)際上是無用的。因此，我們使用上述設(shè)計(jì)在負(fù)反饋回路中使用電阻來設(shè)置增益值。在我們上面的電路中，電阻R3充當(dāng)負(fù)反饋電阻，電阻R2和R4形成電位分壓器。增益的值可以通過使用合適的電阻值來設(shè)定。

如何設(shè)置差分放大器的增益?

上述差分放大器的輸出電壓可由下式給出

利用疊加定理，由上述電路的傳遞函數(shù)得到上述公式。但我們還是不要太深入了?？紤]R1=R2, R3=R4，可以進(jìn)一步簡化上述方程。所以我們會(huì)得到

從上面的公式我們可以得出結(jié)論，R3和R1之間的比率將等于放大器的增益。

現(xiàn)在，讓我們替換上述電路的電阻器值，并檢查電路是否按預(yù)期工作。

差分放大電路的仿真

我選擇的電阻值是R1和R2的10k， R3和R4的22k。電路仿真如下圖所示。

為了模擬，我為V2提供了4V， V1提供了3.6V。根據(jù)公式，電阻22k和10k將設(shè)置增益為2.2(22/10)。因此，減法將為0.4V(4-3.6)，并將其與增益值2.2相乘，因此所得電壓將為0.88V，如上述仿真所示。我們用之前討論過的公式來驗(yàn)證一下。

在硬件上測試差分放大電路

現(xiàn)在進(jìn)入有趣的部分，讓我們在面包板上構(gòu)建相同的電路，并檢查我們是否能夠獲得相同的結(jié)果。我使用LM324運(yùn)算放大器來構(gòu)建電路，并使用我們之前構(gòu)建的面包板電源模塊。該模塊可以提供5V和3.3V輸出，因此我使用5V電源軌為運(yùn)放供電，3.3V電源軌作為V1。然后我使用我的RPS(穩(wěn)壓電源)為引腳V2提供3.7V。電壓之間的差是0.4，我們有2.2的增益，這應(yīng)該給我們0.88V，這正是我得到的。下圖顯示了設(shè)置和讀數(shù)為0.88V的萬用表。

這證明了我們對差分運(yùn)算放大器的理解是正確的，現(xiàn)在我們知道如何自己設(shè)計(jì)一個(gè)具有所需增益值的差分運(yùn)算放大器。這些電路更常用于音量控制應(yīng)用。

但是，由于電路在輸入電壓側(cè)(V1和V2)有電阻，因此它不能提供非常高的輸入阻抗，并且還具有高共模增益，從而導(dǎo)致低CMRR比。為了克服這些缺點(diǎn)，有一個(gè)臨時(shí)版本的差分放大器稱為儀表放大器，但讓我們把它留給另一個(gè)教程。

本文編譯自circuitdigest