差分放大器工作原理和基本电路形式

差动放大器电路又叫差分电路，它可以有效地放大交流信号，而且还能够有效地减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移。被大量的应用于集成运放电路，常被用作多级放大器的前置级。

差分放大器工作原理和基本电路形式

差动放大器原理：

差动放大电路的基本形式对电路的要求是：两个电路的参数完全对称两个管子的温度特性也完全对称。

它的工作原理是：当输入信号Ui=0时，则两管的电流相等，两管的集电极电位也相等，所以输出电压Uo=UC1-UC2=0。温度上升时，两管电流均增加，则集电极电位均下降，由于它们处于同一温度环境，因此两管的电流和电压变化量均相等，其输出电压仍然为零。

它的放大作用输入信号主要有两种类型：共模信号 和 差模信号。

虽然运放电路为典型的双端输入、单端输出的三端器件，但上文所述多为单端应用（即一端用于信号输入，一端接地），由此可以看出任一信号回路的两端特性，一端接地，一端即信号。就同相放大器而言，信号输入同相端，反相器必有接地回路；就反相放大器而言，信号从反相输入端进入，则同相端即为接地端。由接地回路的不同，甚至也可以判断放大器类型为同相放大器亦或反相放大器。

如果有两路输入信号，分别从两个输入端同时输入，即双端输入，单端输出的工作模式，即为差分放大器（亦名减法器）。

图1 差分放大器的基本电路形式

差分放大器，据从输入、输出方式的不同，可分为双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；单端输入、双端输出，单端输入、单端输出等多种电路形式，其中就运放器件电路构成的差分放大器而言，双端输入、单端输出的电路形式应用广泛。

差分放大器的电路优点：放大差模信号抑制共模信号，在抗干扰性能上有“过人之处”，这与其电路结构是分不开的。可以用两只三极管电路搭建一个如图1中的a电路，说明差分放大器的电路特性。

（1）对单电源供电的放大器电路，其输出端（即Q1\Q2的C极）静态工作点为1/2Vcc最为适宜，能保障其最大动态输出范围。只要RC1、RB1等偏置元件取值合适，则可使UC1、UC2的静态电压为2.5V，即静态差分输出电压2.5V－2.5V＝0V；

（2）电路设计尽可能使Q1、Q2的静态工作参数一致，二者构成“镜像”电路，RE为电流负反馈电阻，其直流电阻小，动态电阻极大（流过的电流近乎恒定），以提升电路的差分性能。

（3）当IN+=IN－时，或者二者信号电压同步升降时，OUT+、OUT-端电压也在同步升降，且升、降幅度相等，其输差分输出值仍会为0V。如二路输入信号在静态基础上产生了Q1、Q2基极电流的同样增量，则集电极电压会产生下降，如由2.5V降低为1.5V时，则UC1-UC2=1.5V－1.5V＝0V，这说明电路对共模输入信号不予理会，具备优良的抗干扰性能。

众所周知，RS485通讯电路，就是利用差分总线传输方式，产生了强有力的抗干扰效果。

（4）当IN+、IN－输入信号在静态基础上有相对变化，即IN+-IN-≠0时，如IN+输入电压往正方向变化时，OUT-会往负方向变化（同时OUT+会往正方向变化），使得两个输出端反向偏离2.5V产生了信号输出。当OUT-为1.5V，OUT+为3.5V时，此时使产生了2V的信号电压输出。

说明电路对差模信号进行了有效放大。差分放大器是有选择性的放大器，忽略共模干扰，放大有用信号。

图1中的b电路，是用运放器件构成的差分放大器。图中明显看到，无论输入信号是2.5V或5V，只要IN1=IN2，OUT端即是0V。从此角度和意义上来讲，当差分放大器的偏置元件R1=R3，R2=R4时，并且IN1=IN2时，其输出端是“虚地”的。

双端输入、单端输出差分放器的输出端为何会呈现“虚地”特性呢？

图2 差分放大器工作状态图

上图a电路，是输入信号IN1=IN2的状态。

（1）因输入端的“虚断”特性，同相输入端为高阻态，其输入电压值仅仅取决于R1、R2分压值，为2V。同相输入端的2V电压可以看作成为输入端比较基准电压；

（2）因两输入端的“虚短”特性，可进而推知其反相输入端，即R3、R4串联分压电路，其b点=a点=2V。这是反馈电压。放大器的控制目的是使反馈电压等于基准电压；

（3）由R1=R3，R2=R4条件可知，放大器输出端只有处于“虚地”状态，即输出端为0V，才能满足b点=a点=2V，这可以由此导出差分放大器的一个工作特征。

上图b中的（1）电路，是IN1》IN2的状态。

（1）此时因同相输入端电压高于反相输入端，输出端电压往正方向变化，其R3、R4偏置电路中的电流方向如图所示；

（2）由R3、R4的阻值比例可知，R3两端电压降为（2.8V－1.5V）/10k，则R4两端电压降为1.3V×4=5.2V，输出端电压为2.8V+5.2V＝8V。

（4）此时的输入电压差为IN1-IN=2V，输出电压为8V。显然，该差分放大器的差分电压放大倍数=R4/R3 是4倍压差分放大器。由此可以推知差分放大器的差分输入放大倍数为 （1N1-IN2） ×R4/R3 =-OUT

上图b中的（2）电路，是IN1《IN2的状态。

此时因反同相输入端电压高于同相输入端，输出端电压往负方向变化，其R3、R4偏置电路中的电流方向如图所示。同样，依R3、R4的阻值比例可推知，在此输入条件下，输出端电压为-8V，电路依然将输入差分信号放大了4倍。

从电路的工作（故障）状态判断来说，直接测量R3、R4串联电路的分压状态，只要R3、R4串联分压是成立的，则电路就大致上（起码运放芯片）就是好的；电路的电压放大倍数也由此得出；只要测量输入电压差（R1、R3左端电压差），再测量输出端电压进行比较，则外围偏置电路的好坏，也会得出明确的结论。

差分放大器的应用

差分运算放大电路，对共模信号得到有效抑制，而只对差分信号进行放大，因而得到广泛的应用。

目标处理电压：是采集处理电压，比如在系统中像母线电压的采集处理，还有像交流电压的采集处理等。

差分同相/反相分压电阻：为了得到适合运放处理的电压，需要将高压信号进行分压处理，如图中V1与V2两端的电压经过分压处理，最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。