一、差分放大電路

這里主要介紹兩種不同類型的差分放大器電路：

1、BJT差分放大電路設(shè)計(jì)

2、運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)差分電路

二、BJT差分放大電路

1、差分放大電路圖

如下面的電路圖所示，有兩個(gè)輸入 Iput1 和 Iput 2 以及兩個(gè)輸出 V1out 和 V2out。

Iput1 加到晶體管 Q1 的基極，Iput 2 加到晶體管 Q2的基極。Q1 和 Q2 的發(fā)射極都連接到一個(gè)共發(fā)射極電阻，使得兩個(gè)輸出端 V1out 和 V2out 受到兩個(gè)輸入信號(hào) Iput1 和 Iput 2 的影響。

Vcc 和 Vee 是電路的兩個(gè)電源電壓，僅使用單個(gè)電壓電源，該電路也可以正常工作。你可能還注意到電路中沒有指示接地端子。因此，可以理解為正負(fù)電壓電源的相反點(diǎn)都連接到地。

差分放大電路圖

理想情況下，兩個(gè)獨(dú)立的晶體管具有相似的特性，共發(fā)射極電阻 Re、共正電源 Vcc 和共負(fù)電源 Vee由兩個(gè)晶體管共享。

現(xiàn)在，我們想到的是如何在輸入端應(yīng)用信號(hào)并獲得輸出。

2、常見差分放大電路的四種接法

（1）雙輸入平衡輸出

在雙輸入配置中，兩個(gè)輸入被給定一個(gè)輸出來(lái)自兩個(gè)晶體管。

（2）雙輸入不平衡輸出

輸入提供給兩個(gè)晶體管，但輸出來(lái)自單個(gè)晶體管。

（3）單輸入平衡輸出

通過(guò)提供單輸入，我們從兩個(gè)獨(dú)立的晶體管獲取輸出。

（4）單輸入不平衡輸出

給定其中一個(gè)單個(gè)輸入，輸出僅來(lái)自單個(gè)晶體管。

3、差分運(yùn)算原理

（1）第一種情況

首先，在晶體管 Q1的基極施加一個(gè)信號(hào)，在晶體管 Q2 的基極沒有施加任何信號(hào)。具體電路圖如下所示：

差分運(yùn)算原理電路圖

在這里，Q1 以兩種方式起作用：首先，作為共射極放大器，Q1 處的應(yīng)用輸入將在輸出 1 處提供放大的反相信號(hào)。其次，作為共集電極放大器，信號(hào)出現(xiàn)在Q1 的發(fā)射極，與輸入同相，略小。

因此，Q1 基極的輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)晶體管，即 Q1 由正輸入信號(hào)導(dǎo)通。RC1 上的電壓降將更大，導(dǎo)致 Q1 的集電極的正負(fù)更小。

當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，晶體管 Q1 將關(guān)閉，從而導(dǎo)致 RC1 上的電壓降較小，從而導(dǎo)致 Q1的集電極更正。

這樣，通過(guò)在輸入 1 處施加信號(hào)，在 Q1 的集電極上出現(xiàn)反相輸出。

當(dāng) Q1 通過(guò)輸入的正半部分變?yōu)?ON 時(shí)，通過(guò) RE 的電流將增加，因?yàn)槲覀冎?I C ≈ I E。因此，RE 處的電壓降將更大，從而導(dǎo)致兩個(gè)晶體管的發(fā)射極都向正方向移動(dòng)。

Q2 發(fā)射極正將導(dǎo)致 Q2 的基極為負(fù)。這個(gè)負(fù)半部分將導(dǎo)致 Q2 中的電流減少。結(jié)果，R C2 處的電壓降也將更小，因此集電極向正方向移動(dòng)。

這樣，我們將在 Q2 的集電極處有一個(gè)非反相輸出，用于 Q1 的基極處的正輸入。

（2）第二種情況

現(xiàn)在是第二種情況，假設(shè)現(xiàn)在將信號(hào)施加到晶體管 Q2 的基極并且晶體管 Q1 接地。

差分運(yùn)算原理電路圖

因此，在這種情況下，上述情況將互換，即現(xiàn)在 Q2將充當(dāng)共發(fā)射極和共放大器，而 Q 1 將充當(dāng)共基極放大器。

因此，在 Q1 的輸出端將接收到一個(gè)反相和放大的輸出，在 Q2 的輸出端我們將有一個(gè)非反相放大輸出。

三、放大器構(gòu)建的差分運(yùn)算放大電路

1、差分運(yùn)算放大電路

差分放大電路是用于放大兩個(gè)輸入信號(hào)的電壓差的器件，差分放大電路是模擬系統(tǒng)集成電路中的重要組成部分。

差分放大通常構(gòu)成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們可以說(shuō)差分放大電路是一個(gè)放大 2 個(gè)輸入信號(hào)的差值的設(shè)備。

如下圖所示：其中運(yùn)算放大器用作差分放大器

差分運(yùn)算放大電路

2、差分運(yùn)算放大器公式

通過(guò)將每個(gè)輸入依次連接到 0v 地，我們可以使用疊加來(lái)求解輸出電壓Vout。那么差分放大器電路的傳遞函數(shù)為：

差分運(yùn)算放大器公式

差分放大器公式：

當(dāng)電阻 R1 = R2 和 R3 = R4 時(shí)，差分運(yùn)算放大器的上述傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為以下表達(dá)式：

差分放大器公式

如果所有電阻器的歐姆值都相同，即：R1 = R2 = R3 = R4，則電路將成為單位增益差分放大器，放大器的電壓增益將恰好為 1 或單位。那么輸出表達(dá)式就是：

Vout = V 2 – V 1

另請(qǐng)注意，如果輸入V1高于輸入V2，則輸出電壓總和將為負(fù)，如果V2高于V1，則輸出電壓總和將為正。

3、差分運(yùn)算放大器實(shí)際電路

（1）惠斯通電橋差分放大器

差分放大電路是一個(gè)非常有用的運(yùn)算放大器電路，通過(guò)添加更多與輸入電阻 R1 和 R3 并聯(lián)的電阻，可以使所得電路“加”或“減”施加到各自輸入端的電壓。進(jìn)行這樣操作的最常見方法之一是將通常稱為惠斯通電橋的“電阻橋”連接到放大器的輸入端，如下圖所示。

惠斯通電橋差分放大器

（2）光激活差分放大器

通過(guò)將一個(gè)輸入電壓與另一個(gè)輸入電壓進(jìn)行“比較”，標(biāo)準(zhǔn)差分放大器電路現(xiàn)在變成了一個(gè)差分電壓比較電路。

例如，通過(guò)將一個(gè)輸入連接到電阻橋網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支上設(shè)置的固定電壓基準(zhǔn)，另一個(gè)連接到“熱敏電阻”或“光敏電阻”，放大器電路可用于檢測(cè)低電平或高電平隨著輸出電壓成為電阻橋有源橋臂變化的線性函數(shù)，溫度或光照水平將在下面光激活差分放大電路進(jìn)行演示：

在這里，下面的電路充當(dāng)一個(gè)光激活開關(guān)，當(dāng) LDR 電阻檢測(cè)到的光水平超過(guò)或低于某個(gè)預(yù)設(shè)值時(shí)，它將輸出繼電器“打開”或“關(guān)閉”。固定電壓基準(zhǔn)通過(guò)R1 – R2分壓器網(wǎng)絡(luò)施加到運(yùn)算放大器的非反相輸入端。

V1 處的電壓值通過(guò)反饋電位 VR2 設(shè)置運(yùn)算放大器的跳變點(diǎn)，VR2 用于設(shè)置開關(guān)滯后，這是“開”的亮度和“關(guān)”的亮度之間的差異。

差分放大器的第二個(gè)引腳由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光敏電阻組成，也稱為 LDR，光敏電阻傳感器可根據(jù)其單元上的光量改變其電阻值（因此得名），因?yàn)樗鼈兊碾娮柚凳钦彰鞯暮瘮?shù)。

惠斯通電橋差分放大器

LDR 可以是任何標(biāo)準(zhǔn)類型的硫化鎘 （cdS） 光電導(dǎo)電池，例如普通 NORP12，其電阻范圍在陽(yáng)光下約 500Ω 到黑暗中約 20kΩ 或更大之間。

NORP12 光電導(dǎo)電池具有類似于人眼的光譜響應(yīng)，因此非常適合用于照明控制類型的應(yīng)用。

光電池電阻與光照水平成正比，并隨著光照強(qiáng)度的增加而下降，因此V2處的電壓水平也會(huì)在開關(guān)點(diǎn)之上或之下變化，這可以由VR1的位置確定。

通過(guò)使用電位 VR1 調(diào)節(jié)光級(jí)跳閘或設(shè)定位置，使用電位器調(diào)節(jié)開關(guān)遲滯，VR2 可以制成精密光敏開關(guān)。根據(jù)應(yīng)用，運(yùn)算放大器的輸出可以直接切換負(fù)載，或使用晶體管開關(guān)來(lái)控制繼電器或燈本身。

通過(guò)用熱敏電阻代替光敏電阻，也可以使用這種簡(jiǎn)單的電路配置來(lái)檢測(cè)溫度。通過(guò)交換VR1和LDR的位置，該電路可用于使用熱敏電阻檢測(cè)亮或暗，或熱或冷。

這種放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要限制是其輸入阻抗低于其他運(yùn)算放大器配置，例如非反相（單端輸入）放大器。

每個(gè)輸入電壓源都必須通過(guò)輸入電阻驅(qū)動(dòng)電流，該輸入電阻的總阻抗低于單獨(dú)的運(yùn)算放大器輸入的阻抗。這對(duì)于低阻抗源（例如上面的橋電路）可能是好的，但對(duì)于高阻抗源來(lái)說(shuō)不是很好。

解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是在每個(gè)輸入電阻上添加一個(gè)單位增益緩沖放大器，例如上一教程中看到的電壓跟隨器。

這為我們提供了一個(gè)具有非常高輸入阻抗和低輸出阻抗的差分放大器電路，因?yàn)樗蓛蓚€(gè)同相緩沖器和一個(gè)差分放大器組成。這構(gòu)成了大多數(shù)“儀表放大器”的基礎(chǔ)。

（3）高輸入阻抗儀表放大器

儀表放大器（儀表放大器）是非常高增益的差分放大電路，具有高輸入阻抗和單端輸出。儀表放大器主要用于放大來(lái)自電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)變儀、熱電偶或電流傳感設(shè)備的非常小的差分信號(hào)。

與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器不同，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益由連接在其輸出端子和一個(gè)輸入端子（正或負(fù)）之間的外部電阻反饋決定，“儀表放大器”具有與其輸入端子有效隔離的內(nèi)部反饋電阻因?yàn)檩斎胄盘?hào)施加在兩個(gè)差分輸入V1和V2上。

儀表放大器還具有非常好的共模抑制比，CMRR（當(dāng)V 1 = V 2時(shí)為零輸出）在直流時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) 100dB。下面給出了具有高輸入阻抗 （ Zin ）的三運(yùn)放儀表放大器的典型示例 ：

高輸入阻抗儀表放大器

兩個(gè)同相放大器形成一個(gè)差分輸入級(jí)，用作緩沖放大器，差分輸入信號(hào)的增益為1 + 2R2/R1，共模輸入信號(hào)的增益為單位增益。由于放大器 A1 和 A2 是閉環(huán)負(fù)反饋放大器，我們可以預(yù)期 Va 處的電壓等于輸入電壓 V1。同樣， Vb 處的電壓等于 V2 處的值。

由于運(yùn)算放大器在其輸入端子（虛擬接地）處沒有電流，因此相同的電流必須流過(guò)連接在運(yùn)算放大器輸出端的 R2、R1 和 R2 三個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)。這意味著 R1 上端的電壓將等于 V1 ， R1 下端的電壓將等于 V2 。

這會(huì)在電阻 R1 上產(chǎn)生一個(gè)電壓降，該電壓降等于輸入 V1 和 V2 之間的電壓差，即差分輸入電壓，因?yàn)槊總€(gè)放大器的求和點(diǎn)處的電壓 Va 和 Vb 等于施加到其正輸入的電壓。

但是，如果在放大器輸入端施加共模電壓，則 R1 兩側(cè)的電壓將相等，并且沒有電流流過(guò)該電阻。由于沒有電流流過(guò) R1（因此，也沒有流過(guò)兩個(gè) R2 電阻，放大器 A1 和 A2 將作為單位增益跟隨器（緩沖器）運(yùn)行。由于放大器 A1 和 A2 輸出端的輸入電壓在三個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)差異，電路的差分增益可以通過(guò)改變 R1 的值來(lái)改變。

差分運(yùn)算放大器 A3 用作減法器的電壓輸出只是其兩個(gè)輸入 （ V2 – V1 ） 之間的差值，并被 A3 的增益放大，該增益可能為 1（假設(shè)R3 = R4）。

然后我們有一個(gè)儀表放大器電路的總電壓增益的一般表達(dá)式為：

儀表放大器公式：

儀表放大器公式