差分放大器

在本教程中，我们将学习一种重要的电路模拟电路设计:差动放大器。它本质上是一个电子放大器，它有两个输入，并放大这两个输入之间的差异。我们将看到微分放大器的工作原理，计算其增益和CMRR，列出一些重要的特性，还将看到一个示例和应用。

简介

运算放大器在内部是差分放大器(它的第一级)，具有其他重要特征，如高输入阻抗，低输出阻抗等。有关运算放大器的更多信息，请阅读运算放大器基础知识．

差分对或差分放大器配置是模拟集成电路设计中最广泛使用的构件之一。它是每个运算放大器的输入级。

差分放大器或差分放大器放大两个输入信号之间的差异。运算放大器是差分放大器;它有一个逆输入和一个非逆输入。但是运算放大器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，一个实用的差分放大器使用负反馈来控制放大器的电压增益。

差分放大器

下面的图像显示了一个简单的差分放大器使用运算放大器₁非反相输入电压V₂逆变输入电压和V是多少_出为输出电压。

如果观察上面电路的差分放大器，它是两者的结合反相放大器和非反相放大器．因此，为了计算微分放大器的输出电压，我们将使用逆变输出和非逆变输出并将它们相加。

计算输出电压

让V₊为非反相端电压，V_{- - - - - -}为上述差速器的反相端电压放大器电路．我们可以计算V的值₊使用潜在除法法则。

电阻R₁和R₂与V形成分压器网络₁为输入电压和V₊为输出电压，这个V₊应用于非反相端。所以,

V₊= V₁(右₂/ R₁+ R₂）

如果V₊是非反相端和G的输入₊是非反相放大器的增益，那么非反相输出V_了+由:

V_了+= V₊G₊

由上述电路，我们可以计算非反相增益G₊为:

G₊= (R_3.+ R₄) / r_3.= 1 + (r₄/ R_3.）

利用V的值₊和G₊在V的方程中_了+，我们得到

V_了+= V₁(右₂/ R₁+ R₂(1 + (r₄/ R_3.）)

来到逆变输出V_——我们要计算它对逆变输入V的积分₂和反转增益G_{- - - - - -}．

V_——= V₂G_{- - - - - -}

由上述电路，我们可以计算出反转增益G_{- - - - - -}为:

G_{- - - - - -}= - r₄/ R_3.

所以,V_——由:

V_——= V₂(- R₄/ R_3.）

我们有两个V_了+和V_——值。得到最后的V_出值，我们要把这些值相加。

V_出= V_出++ V_——

V_出= V₁(右₂/ R₁+ R₂(1 + (r₄/ R_3.)) - v₂(右₄/ R_3.）

这是差动放大器的输出电压。上面的方程看起来很复杂。为了简化方程，降低复杂度，让我们考虑一个特殊的情况R_3.= R₁和R₄= R₂．

如果我们将这些值应用于上述方程，则输出电压为:

V_出= R₂/ R₁(V₁- - - - - - V₂) = r₄/ R_3.(V₁- - - - - - V₂）

现在，从这个方程可以清楚地看出，差分电压(V₁- - - - - - V₂)乘以增益R₂/ R₁．因此，它是差分放大器。

计算输出电压的另一种方法

现在让我们通过确定运算放大器的反相输入电流来计算输出电压。让我们假设下面的差动放大器电路。这个电路和前面的电路很相似，除了这是R的特殊情况_3.= R₁和R₄= R₂前面的电路。

首先，我们必须确定非逆变端(V₊)．在前面的推导中，我们已经用分压器法则计算过了。该值由:

V₊= V₁(右₂/ R₁+ R₂）

现在，从运算放大器的基本理解，我们可以说没有电流流入或流出运算放大器输入端。所以，电流进入逆变端I₁和离开终端I的电流是一样的₂．

我₁=我₂

利用这个规则作为参考，我们可以在逆变输入端应用基尔霍夫电流定律，得到:

(V₂- - - - - - V_{- - - - - -}) / r₁= (V_{- - - - - -}- - - - - - V_出) / r₂

运算放大器的另一个重要规则是，它试图保持输入端在相同的电压。所以,V₊= V_{- - - - - -}．用这个规则，我们可以替换V_{- - - - - -}在上式中，用之前计算的V₊价值。

经过替换和计算，我们得到:

V_出= R₂/ R₁(V₁- - - - - - V₂）

注意:在之前的所有计算中，我们都取一个特殊值为R_3.= R₁和R₄= R₂．实际上，我们要考虑的不是这个比值，即，

R_3./ R₄= R₁/ R₂

如果使用这种条件，那么电阻被称为平衡桥。

差动放大器的重要参数

现在让我们看看差分放大器的一些重要参数。它们是:

• 获得
• 共模输入
• 共模抑制比(CMRR)

差动放大器增益

差分放大器的增益是输出信号与输入信号之差的比值。根据前面的计算，我们得到输出电压V_出作为

V_出= R₂/ R₁(V₁- - - - - - V₂）

微分放大器增益A_D是由

一个_D= V_出/ (V₁- - - - - - V₂) = r₂/ R₁

共模输入

在之前的所有计算中，我们假设平衡桥的条件，即R_3./ R₄= R₁/ R₂．为了理解差分放大器或差分放大器的独特特性，我们必须看一看差分模式输入和共模输入组件。

差模输入V_DM和共模输入V_厘米由:

V_DM= V₁- - - - - - V₂

V_厘米= (V₁+ V₂) / 2

将上述两个方程重新排列，得到

V₁= V_厘米+ V_DM/ 2和V₂= V_厘米- - - - - - V_DM/ 2

下面的电路显示了共模输入信号。

由于差分放大器只放大差分模分量，它忽略了共模分量。如果我们把输入连接在一起，V_DM变成0和V_厘米为非零值。

但一个真正的微分放大器将导致V_出= 0，因为它完全忽略了输入信号的共模部分。因此，差分放大器通常用于系统的输入级，以从输入中去除直流或共模噪声。

当且仅当阻力形成平衡桥条件时，所有这些计算都成立。由于实际差分放大器的输出取决于输入电阻的比率，如果这些电阻比率不完全相等，共模电压V_厘米不会完全取消。因为完美匹配电阻比实际上是不可能的，所以很可能存在一些共模电压。

有了共模输入电压，差分放大器的输出电压为:

V_出=一个_DV_DM+一个_CV_厘米

在V_DM电压差是V₁- - - - - - V₂

V_厘米共模电压(V₁+ V₂) / 2

一个_D和一个_C分别为差模增益和共模增益。

共模抑制比(CMRR)

差分放大器抑制共模输入信号的能力用共模抑制比(CMRR)表示。差分放大器的共模抑制比在数学上是差分电压增益(a)的比值_D)到其共模增益(A_C)．

CMRR = a_D/一个_C

CMRR以分贝(dB)表示为

CMRR_dB= 20 log₁₀(|_D/一个_C|)

对于理想的差分放大器，共模电压增益为零。因此，CMRR是无限的。

差动放大器的特性

• 高差压增益
• 低共模增益
• 高输入阻抗
• 低输出阻抗
• 高CMRR
• 大的带宽
• 低偏置电压和电流

差动放大器作为比较器

差分放大器电路是一种非常有用的运放电路，因为它可以被配置为“增加”或“减去”输入电压，通过适当地在输入电阻并联增加更多的电阻。

惠斯通电桥差动放大器电路设计如下图所示。这个电路就像一个差分电压比较器。

通过将一个输入连接到固定电压，另一个输入连接到热敏电阻(或依赖光的电阻)，差分放大器电路检测高或低水平的温度(或光强度)，因为输出电压成为电阻桥网络有源腿变化的线性函数。

惠斯顿电桥差分放大器还可以通过比较电阻之间的输入电压来查找电阻电桥网络中的未知电阻。

使用差分放大器的光激活开关

下图所示的电路作为一个光依赖开关，当落在光依赖电阻(LDR)上的光强度超过或低于非反相输入端V上的预设值时，它将输出继电器“开”或“关”₂．

电压V₂由可变电阻V_R1．电阻R₁和R₂作为一个潜在的划分网络。一个固定的参考电压被施加到逆变输入，通过R₁和R₂．

同样的电路可以通过修改来检测温度变化，只需将LDR替换为热敏电阻即可。通过交换LDR和V的位置_R1，电路可以检测黑暗或光明(或热或冷的情况下热敏电阻)。

差动放大器示例

在输入电压为300µV和240µV时，确定差分放大器的输出电压。放大器的差分增益为5000,CMRR值为

(我)100

(2) 10⁵

给定数据的差分放大器如图所示。

CMRR = 100时:

CMRR = a_D/一个_C

100 = 5000 / a_C

所以,一个_C= 50

差模电压_DM

V_DM= V₁- - - - - - V₂= 300 μ v - 240 μ v = 60 μ v

共模电压V_厘米

V_厘米= (V₁+ V₂) / 2 = 540µv / 2 = 270µv

输出电压V_出

V_出=一个_DV_DM+一个_CV_厘米

= 5000 x 60 μ V + 50 x 270 μ V

V_出= 313500 μ V = 313.500 mV

对于CMRR = 10⁵：

一个_C=一个_D/ CMRR = 5000 / 10⁵= 0.05

V_出=一个_DV_DM+一个_CV_厘米= 5000 x 60µV + 0.05 x 270µV

V_出= 300013.5 μ V = 300.0135 mV

注意:理想的差分放大器或差分放大器，A_C是0。所以输出只有A_DV_DM，得到V_出= 5000 x 60µV = 300 mV。

差动放大器概述

• 差分放大器，也称为差分放大器，是一种非常有用的运放配置，可以放大输入电压之间的差异。
• 差动放大器是逆变放大器和非逆变放大器的组合。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率。因此，通过仔细选择输入电阻，可以精确地控制差分放大器的增益。
• 理想差分放大器的共模增益为零。但是由于实际电阻值的不匹配，将会有一个非常小的共模电压和有限的共模增益。
• 通过适当地修改输入端电阻的连接，差分放大器可以用于加、减和比较所应用的输入电压电平。