如何将运算放大器用作差分放大器查找电压值的电压差

运算放大器最初是为模拟数学计算而开发的，从那时起，它们已被证明在许多设计应用中都很有用，它们可以使用求和放大器电路执行两个给定电压值的加法，并使用差分放大器执行两个电压值之间的差。除此之外，运算放大器还通常用作反相放大器和同相放大器。

运算放大器的基础知识

在我们深入了解差分运算放大器之前，让我们快速了解一下运算放大器的基础知识。运算放大器是一个五端子器件（单封装），带有两个端子（Vs+、Vs-），用于为器件供电。在其余三个端子中，两个（V+、V-）用于信号，称为反相和同相端子，其余一个（Vout）是输出端子。运算放大器的基本符号如下所示。

运算放大器的工作非常简单，它从两个引脚（V+、V-）接收不同的电压，将其放大增益值并将其作为输出电压（Vout）。运算放大器的增益可能非常高，因此适用于音频应用。永远记住，运算放大器的输入电压应低于其工作电压。

对于理想运算放大器，输入阻抗将非常高，即没有电流通过输入引脚（V+、V-）流入或流出运算放大器。要了解运算放大器的工作原理，我们可以将运算放大器电路大致分为开环和闭环。

运算放大器开环电路（比较器）

在开环运算放大器电路中，输出引脚（Vout）不与任何输入引脚连接，即不提供反馈。在这种开环条件下，运算放大器用作比较器。一个简单的运算放大器比较器如下所示。请注意，Vout 引脚未与输入引脚 V1 或 V2 连接。

在这种情况下，如果提供给 V1 的电压大于 V2，则输出 Vout 将变高。同样，如果提供给 V2 的电压大于 V1，则输出 Vout 将变低。

运算放大器闭环电路（放大器）

在闭环运算放大器电路中，运算放大器的输出引脚与任一输入引脚连接以提供反馈。这种反馈称为闭环连接。在闭环期间，运算放大器用作放大器，在此模式下，运算放大器可以找到许多有用的应用，例如缓冲器、电压跟随器、反相放大器、同相放大器、求和放大器、差分放大器、电压减法器等。如果Vout 引脚连接到反相端子，则称为负反馈电路（如下所示），如果连接到非反相端子，则称为正反馈电路。

差分放大器或电压减法器

现在让我们进入我们的主题，差分放大器。差分放大器基本上接收两个电压值，找到这两个值之间的差异并将其放大。产生的电压可以从输出引脚获得。一个基本的差分放大器电路如下所示。

但是等等！这不是运算放大器在默认情况下所做的，即使它没有反馈，它需要两个输入并在输出引脚上提供它们的差异。那么为什么我们需要所有这些花哨的电阻呢？

是的，但是运算放大器在开环（无反馈）中使用时将具有非常高的不受控制的增益，这实际上是没有用的。因此，我们使用上述设计在负反馈环路中使用电阻器来设置增益值。在我们上面的电路中，电阻器 R3 充当负反馈电阻器，电阻器 R2 和 R4 形成分压器。增益值可以通过使用正确的电阻值来设置。

如何设置差分放大器的增益？

上图所示差分放大器的输出电压可由下式给出

Vout = -V1 （R3/R1） + V2 （R4/（R2+R4））（（R1+R3）/R1）

上式是利用叠加定理从上述电路的传递函数得到的。但是，我们不要过多讨论。通过考虑 R1=R2 和 R3=R4，我们可以进一步简化上述方程。所以我们会得到

当 R1=R2 且 R3=R4 时，Vout = （R3/R1）（V2-V1）

从上面的公式我们可以得出结论，R3和R1之间的比率将等于放大器的增益。

增益 = R3/R1

现在，让我们用电阻值代替上述电路并检查电路是否按预期工作。

差分放大器电路的仿真

我选择的电阻值为 R1 和 R2 为 10k，R3 和 R4 为 22k。相同的电路模拟如下所示。

出于模拟的目的，我为 V2 提供了 4V，为 V1 提供了 3.6V。根据公式，电阻器 22k 和 10k 将设置增益为 2.2（22/10）。因此减法将为 0.4V（4-3.6），并将乘以增益值 2.2，因此所得电压将为 0.88V，如上述模拟所示。让我们也使用我们之前讨论过的公式来验证这一点。

当 R1=R2 且 R3=R4 时，Vout = （R3/R1）（V2-V1）

= （22/10）（4-3.6）

= （2.2） x （0.4）

= 0.88v

审核编辑：汤梓红