差分运放放大电路的工作原理 运放组成的差分放大电路

一、基本概念

差分放大电路，又称为差动放大电路，是将两个输入信号进行差运算，然后将差值放大输出的电路。这种电路在模拟电子电路中广泛应用，特别是在需要抑制共模噪声和放大微弱信号的场景中。

二、工作原理

1. 差分信号与共模信号 ：
   • 差分信号 ：指两个输入信号之间的差值。在差分放大电路中，我们关注的是这个差值，因为它代表了实际有用的信号。
   • 共模信号 ：指同时作用于两个输入端且幅度和相位都相同的信号。这种信号通常是由电源噪声、接地回路干扰等引起的，是不希望被放大的部分。
2. 信号输入 ：
   • 输入信号V1和V2通过R1和R2分压器网络输入到运放的正、负输入端。这两个信号可以是任意波形，但差分放大电路主要关注它们的差值。
3. 信号放大 ：
   • 运放（运算放大器）是差分放大电路的核心部件，它负责放大差分信号。由于运放的开环增益极大，因此可以放大微小的电压差异。
   • 当两个输入信号的差值不为零时，运放会输出一个放大了的差分信号。这个输出信号是差分信号经过放大得到的，而共模信号则被有效抑制。
4. 共模抑制 ：
   • 由于差分放大电路的对称性，它对共模信号有很强的抑制作用。理想情况下，共模输出为零，即共模信号不会被放大。
   • 这使得差分放大电路在抑制电源噪声、接地回路干扰等方面具有显著优势。
5. 反馈机制 ：
   • 差分放大电路通常采用负反馈机制来降低电路的放大倍数和避免信号失真。负反馈电路将放大电路的输出信号通过反馈网络反馈回输入端，从而抑制噪声和减小失真。

三、应用领域

差分放大电路在模拟电路、功率放大器、电源调节器、传感器放大器、过压保护等领域有着广泛的应用。特别是在需要高精度、高信噪比和低噪声的应用场景中，差分放大电路更是不可或缺。

运放组成的差分放大电路

来自传感器的信号往往很微弱，需要运放进行放大，以便后续的数字化处理。图一为基本差分放大电路，它是反相输入和同相输入相结合的电路，当电阻值满足：Rf/R1=R3/R2=K时,

Uo=K(Ui2-Ui1) ,K为差动放大倍数，图一的K=10 ;

由于有同相端的电阻分压网络和反相端的负反馈网络的存在，使得该电路的输入电阻不够大，如信号源的内阻比较大或是变化的，将会使输出信号产生较大的误差，换而言之，这种差分电路只能配低内阻信号源；同时该电路要求Rf/R1精确等于R3/R2，否则差分输入和输出之间将不是正比例线性函数关系，会同时放大共模信号，共模抑制比就会急剧下降，换句话说，该电路所用的电阻必须是低温漂的高精度电阻。

图一 基本差分放大器

为解决图一电路无法处理高内阻传感器信号的问题，可在差放电路的两个输入端各加一个电压跟随器进行缓冲隔离，如图二所示。电压跟随器输入电阻极高，可认为断路，不取用传感器电流，不影响传感器信号的大小；跟随器的输出此时是差放电路的信号源，其输出电阻很低，可忽略其存在，就能满足该电路对低内阻信号源的要求。

图二 带缓冲器的基本差分放大电路

图一所示的基本差分放大电路，其外接的四个电阻需要严格挑选，精确度要求很高，不易满足。一般选用将四个电阻集成在芯片内部的差分放大器。光刻芯片时，利用激光微调技术，可将四个电阻校准到极高的精度。INA143就是集成的基本差分放大器芯片，其内部结构及示例如图三所示。

图三 集成差分放大器构成的电路

二、图四是同相比例电路，平衡电阻R2=R1//Rf ,由I+ =0,知Up=Ui ;在深度负反馈条件下，Un=Up=Ui，即输入电位转移到了N点，使得Un=Ui ；易推导出Uo=(1+Rf/R1)Ui ,当断开R1(即R1=无穷大)时，Uo=Ui，输出跟随输入，得到图五所示的电压跟随器电路。现根据前面提及的电路，说明图六所示三运放构成的差分放大电路。

图四 同相比例放大电路

图五 电压跟随器

图六 三运放差分放大电路

图六所示的三运放差分放大电路由两级差动放大电路组成，A1、A2构成第一级差放电路，是两个同相比例电路的组合。由于引入了深度电压串联负反馈电路，使输入电阻大大增加，可视为断路，又使输出电阻大大减小，可视为零，为第二级基本差放电路创造了优良的工作条件；A3构成了第二级差放电路。

四、总结

差分运放放大电路通过放大差分信号并抑制共模信号来实现信号的有效放大和噪声的抑制。其工作原理基于差分信号的放大和共模信号的抑制以及反馈机制的应用。这种电路在模拟电子电路中占据重要地位，并在多个领域得到广泛应用。
差分运放放大电路在模拟信号处理、通信系统、测量仪器等领域有着广泛的应用。特别是在需要高精度、高信噪比和低噪声的应用场景中，如音频放大器、传感器放大器、过压保护电路等，差分运放放大电路更是不可或缺。

综上所述，差分运放放大电路通过差分信号放大和共模信号抑制以及反馈机制的应用，实现了对输入信号的有效放大和噪声的抑制。其独特的电路结构和优异的性能特性使得它在模拟电子电路中占据重要地位，并在多个领域得到广泛应用。