差分放大器

在本教程中，我们将了解模拟电路设计中的一个重要电路：差分放大器。它基本上是一种电子放大器，其具有两个输入并放大这两个输入电压之间的差异。

运算放大器是一种差分放大器，具有高输入阻抗、低输出阻抗等特点。有关运算放大器的更多信息，请阅读运算放大器基础知识“。

介绍

差动对或差动放大器配置是模拟集成电路设计中应用最广泛的组成部分。实际上，它是每一个运算放大器的输入级。

差分放大器放大两个输入信号之间的差值。运算放大器是差分放大器;它有一个反相输入和一个非反相输入。但是运放的开环电压增益太高(理想情况下是无穷大)，不能在没有反馈连接的情况下使用。

因此，实际的差分放大器使用负反馈连接来控制放大器的电压增益。

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差分放大器

上述电路中所示的差分放大器是反相和非反相放大器的组合。如果非反相端子连接到地，则电路作为反相放大器和输入信号V操作₁被 - （r_3./ R₁）。

同样，如果反相输入端接地，电路表现为一个非反相放大器。反相输入端接地时，R_3.和R.₁作为非反相放大器的反馈元件。

输入V.₂潜在地分为电阻器₂和R.₄给V_R4然后v_R4被（r_3.+ R.₁) / R₁。

与V.₂= 0,

V_O1.= - （r_3./ R₁）* V.₁

与V.₁= 0,

V_R4= {R.₄/（r.₂+ R.₄）} * v₂

和

V_O2.= {（r₁+ R._3.）/ R.₁} * V_R4

所以，

V_O2.= {（r₁+ R._3.) / R₁} * {r₄/ (R₂+ R.₄）} * v₂

如果输入电阻是这样选择的，R₂= R.₁和R.₄= R._3.,然后

V_O2.= {R.3./ R₁* V.₂

现在，根据叠加原理如果两个输入信号V₁和V.₂存在，然后输出电压是

V_O= V._O1.+ V._O2.

= { - （r_3./ R₁）* V.₁} + {R3./ R₁* V.₂

哪个结果，

V_O=（r._3./ R₁）* {v₂- V.₁}

电阻器r_3.和R.₁相同值时，输出电压等于输入电压的直接差值。通过选择R_3.大于R.₁，可以使输出成为输入电压差的放大版本。

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输入电阻

选择差别放大器电阻作为R的一个问题₂= R.₁和R._3.= R.₄是反相放大器和非反相放大器的输入电阻不等。

电压V的输入电阻₁是r₁如在反相放大器的情况下。对于非反相输入，即输入电压V.₂，输入电阻是（r₂+ R.₄）。

输入电阻的这种差异导致其中一种输入信号比另一种信号放大得更大。

差分放大器的输出方程V_O，可以通过使比率r获得₄/ R₂和R一样_3./ R₁，而不是制作r₂= R.₁和R.₄= R._3.。

如果信号源电阻远小于输入电阻，输入电阻差不会造成问题。此外，通常有R是可取的₂= R.₁和R.₄= R._3.，为了最小化输入偏移电压。

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差异增益

差分放大器的差分增益被定义为相对于所施加的输入信号的差异在输出信号处获得的增益。

差值放大器的输出电压为，

V_O= A._D（V.₁- V.₂)

在哪里，答：_D= - (R_3./ R₁)是放大器的微分增益。

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共模输入

差分放大器放大两个输入电压之间的差。理想情况下，共模输入v_厘米将使输入(V₁+ V._厘米)和(V₂+ V._厘米，这将导致V_厘米当两个输入电压的差异被放大时被取消。

由于实际差别放大器的输出取决于输入电阻的比率，如果这些电阻器比率不完全相同，则一个输入电压被比另一个输入更大的量放大。

因此，共模电压V_厘米不会被完全取消。因为实际上不可能完美地匹配电阻比，所以很可能存在一些共模输出电压。

在共模输入电压存在的情况下，差分放大器的输出电压为:

V_O= A._dV_d+ A._cV_c

Vd =差电压V₁-v.₂

Vc =共模电压(V₁+ V.₂）/ 2

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共模抑制比(CMRR)

差分放大器拒绝共模输入信号的能力以共模抑制比（CMRR）表示。差分放大器的共模抑制比在数学上作为差分放大器的差分电压增益与其共模增益的比率给出。

CMRR = |_d/一个_c|

理想地，差分放大器的共模电压增益为零。因此，CMRR是完美的无限的。

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差分放大器的特性

• 高差动电压增益
• 低共模增益
• 高输入阻抗
• 低输出阻抗
• 高CMRR.
• 大带宽
• 低偏移电压和电流

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差分放大器作为比较器

差分放大电路是一种非常有用的运放电路，因为它可以通过适当地在输入电阻的同时并联增加更多的电阻来实现对输入电压的“加”或“减”。

惠斯通桥差分放大器电路设计如上图所示。该电路的表现类似于差分电压比较器。

通过将输入到固定电压和另一个输入连接到热敏电阻（或轻依赖电阻），差分放大器电路检测高或低水平的温度（或光强度），因为输出电压变为线性函数电阻桥网络有源腿的变化。

惠斯通桥差分放大器还可用于通过比较电阻器的输入电压来找到电阻桥网络中的未知电阻。

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使用差分放大器的光激活开关

上图所示的电路充当一个依赖光的开关，当落在依赖光电阻(LDR)上的光的强度超过或低于非反相输入端V的预设值时，就会打开输出继电器“on”或“off”₂。

V的电压₂由可变电阻V确定_R1。电阻器R.₁和R.₂充当潜在的分频器网络。固定的参考电压施加到反相输入，通过r₁和R.₂。

可以修改相同的电路以检测温度的变化，只需通过热敏电阻更换LDR即可。通过互换LDR和V的位置_R1，可以使电路检测暗或光（或使用热敏电阻的热或冷）。

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差分放大器的例子

确定300μV和240μV的输入电压的差分放大器的输出电压。放大器的差分增益为5000，CMRR的值是（i）100和（ii）10⁵

给定数据的差分放大器如图所示。

i) CMRR = A_d/一个_c

100 =5000 / A_c

一个_c= 50.

V_d= V.₁- V.₂= 300µV - 240µV = 60µV

V_c=（V.₁+ V.₂）/ 2 =540μV/ 2 =270μV

V_O= A._dV_d+ A._cV_c

= [5000 x 60 + 50 x 270]μV

V_O= 313500µV = 313.500 mV

II）CMRR = 10⁵

一个_c= A._d/ cmrr = 5000/10⁵= 0.05

V_O= A._dV_d+ A._cV_c= [5000×60 + 0.05×270]µV

V_O= 300013.5µV

注意:理想情况下,一个_ciszero。所以输出只是一个_dV_d，这导致v_O= 5000 x60μV= 300mV。

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差分放大器的总结

• 差分放大器也称为差别放大器是一种有用的OP-AMP配置，其放大所施加的输入电压之间的差异。
• 差分放大器是反相和非反相放大器的组合。它使用负反馈连接来控制差分电压增益。
• 放大器的差分电压增益取决于输入电阻的比值。因此，通过仔细选择输入电阻，就有可能精确地控制差分放大器的增益。
• 理想情况下，差分放大器的共模增益为零。但是由于电阻值的不匹配，将会有一个非常小的共模输出电压和有限的共模增益。
• 通过适当地修改输入端子上的电阻连接，可以使用差分放大器对施加的输入电压电平进行加、减和比较。

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