?差分放大器的工作原理

? ? ? ? 雖然運(yùn)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(yīng)用（即一端用于信號(hào)輸入，一端接地），由此可以看出任一信號(hào)回路的兩端特性，一端接地，一端即信號(hào)。就同相放大器而言，信號(hào)輸入同相端，反相器必有接地回路；就反相放大器而言，信號(hào)從反相輸入端進(jìn)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(hào)，分別從兩個(gè)輸入端同時(shí)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）。

　 差分放大器的基本電路形式

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圖1基本電路形式

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　　差分放大器，據(jù)從輸入、輸出方式的不同，可分為雙端輸入、雙端輸出；雙端輸入、單端輸出；單端輸入、雙端輸出，單端輸入、單端輸出等多種電路形式，其中就運(yùn)放器件電路構(gòu)成的差分放大器而言，雙端輸入、單端輸出的電路形式應(yīng)用廣泛。

　　差分放大器的電路優(yōu)點(diǎn)：放大差模信號(hào)抑制共模信號(hào)，在抗干擾性能上有“過(guò)人之處”，這與其電路結(jié)構(gòu)是分不開(kāi)的?？梢杂脙芍蝗龢O管電路搭建一個(gè)如圖1中的a電路，說(shuō)明差分放大器的電路特性。

? ? ?差分放大器的特點(diǎn)

　?。?）對(duì)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(diǎn)為1/2Vcc最為適宜，能保障其最大動(dòng)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；

　?。?）電路設(shè)計(jì)盡可能使Q1、Q2的靜態(tài)工作參數(shù)一致，二者構(gòu)成“鏡像”電路，RE為電流負(fù)反饋電阻，其直流電阻小，動(dòng)態(tài)電阻極大（流過(guò)的電流近乎恒定），以提升電路的差分性能。

　?。?）當(dāng)IN+=IN－時(shí)，或者二者信號(hào)電壓同步升降時(shí)，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(huì)為0V。如二路輸入信號(hào)在靜態(tài)基礎(chǔ)上產(chǎn)生了Q1、Q2基極電流的同樣增量，則集電極電壓會(huì)產(chǎn)生下降，如由2.5V降低為1.5V時(shí)，則UC1-UC2=1.5V－1.5V＝0V，這說(shuō)明電路對(duì)共模輸入信號(hào)不予理會(huì)，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(qiáng)有力的抗干擾效果。

　　（4）當(dāng)IN+、IN－輸入信號(hào)在靜態(tài)基礎(chǔ)上有相對(duì)變化，即IN+-IN-≠0時(shí)，如IN+輸入電壓往正方向變化時(shí)，OUT-會(huì)往負(fù)方向變化（同時(shí)OUT+會(huì)往正方向變化），使得兩個(gè)輸出端反向偏離2.5V產(chǎn)生了信號(hào)輸出。當(dāng)OUT-為1.5V，OUT+為3.5V時(shí)，此時(shí)使產(chǎn)生了2V的信號(hào)電壓輸出。

　　說(shuō)明電路對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行了有效放大。差分放大器是有選擇性的放大器，忽略共模干擾，放大有用信號(hào)。

　　圖1中的b電路，是用運(yùn)放器件構(gòu)成的差分放大器。圖中明顯看到，無(wú)論輸入信號(hào)是2.5V或5V，只要IN1=IN2，OUT端即是0V。從此角度和意義上來(lái)講，當(dāng)差分放大器的偏置元件R1=R3，R2=R4時(shí)，并且IN1=IN2時(shí)，其輸出端是“虛地”的。

　　雙端輸入、單端輸出差分放器的輸出端為何會(huì)呈現(xiàn)“虛地”特性呢？

　　圖2 差分放大器工作狀態(tài)圖

　　上圖a電路，是輸入信號(hào)IN1=IN2的狀態(tài)。

　?。?）因輸入端的“虛斷”特性，同相輸入端為高阻態(tài)，其輸入電壓值僅僅取決于R1、R2分壓值，為2V。同相輸入端的2V電壓可以看作成為輸入端比較基準(zhǔn)電壓；

　?。?）因兩輸入端的“虛短”特性，可進(jìn)而推知其反相輸入端，即R3、R4串聯(lián)分壓電路，其b點(diǎn)=a點(diǎn)=2V。這是反饋電壓。放大器的控制目的是使反饋電壓等于基準(zhǔn)電壓；

　?。?）由R1=R3，R2=R4條件可知，放大器輸出端只有處于“虛地”狀態(tài)，即輸出端為0V，才能滿足b點(diǎn)=a點(diǎn)=2V，這可以由此導(dǎo)出差分放大器的一個(gè)工作特征。

　　上圖b中的（1）電路，是IN1》IN2的狀態(tài)。

　?。?）此時(shí)因同相輸入端電壓高于反相輸入端，輸出端電壓往正方向變化，其R3、R4偏置電路中的電流方向如圖所示；

　?。?）由R3、R4的阻值比例可知，R3兩端電壓降為（2.8V－1.5V）/10k，則R4兩端電壓降為1.3V×4=5.2V，輸出端電壓為2.8V+5.2V＝8V。

　?。?）此時(shí)的輸入電壓差為IN1-IN=2V，輸出電壓為8V。顯然，該差分放大器的差分電壓放大倍數(shù)=R4/R3 是4倍壓差分放大器。由此可以推知差分放大器的差分輸入放大倍數(shù)為 （1N1-IN2） ×R4/R3 =-OUT

　　上圖b中的（2）電路，是IN1《IN2的狀態(tài)。

　　此時(shí)因反同相輸入端電壓高于同相輸入端，輸出端電壓往負(fù)方向變化，其R3、R4偏置電路中的電流方向如圖所示。同樣，依R3、R4的阻值比例可推知，在此輸入條件下，輸出端電壓為-8V，電路依然將輸入差分信號(hào)放大了4倍。

　　從電路的工作（故障）狀態(tài)判斷來(lái)說(shuō)，直接測(cè)量R3、R4串聯(lián)電路的分壓狀態(tài)，只要R3、R4串聯(lián)分壓是成立的，則電路就大致上（起碼運(yùn)放芯片）就是好的；電路的電壓放大倍數(shù)也由此得出；只要測(cè)量輸入電壓差（R1、R3左端電壓差），再測(cè)量輸出端電壓進(jìn)行比較，則外圍偏置電路的好壞，也會(huì)得出明確的結(jié)論。