運算放大器基礎知識：什么是差分放大器？

一般情況下，在將運算放大器的輸入端連接到放大器，使用“反相”或“非反相”輸入端放大單個輸入信號，而另一個輸入端接地。英銳恩單片機開發工程師表示，由于標準運算放大器具有反相和無反相兩個輸入，因此我們也可以同時將信號連接到這兩個輸入，從而產生另一種常見的運算放大器電路，稱為差分放大器。

基本上，由于其輸入配置，所有運算放大器都是“差分放大器”。但是，通過將一個電壓信號連接到一個輸入端子上并將另一電壓信號連接到另一個輸入端子上，所得輸出電壓將與V 1和V 2的兩個輸入電壓信號之間的“差”成比例。

然后，差分放大器放大兩個電壓之間的差，從而使這種類型的運算放大器電路成為減法器，而不像求和放大器那樣將輸入電壓相加或求和。這種運算放大器電路通常稱為差分放大器配置，如下所示：

通過將每個輸入依次連接到0v接地，我們可以使用疊加來求解輸出電壓Vout。然后，差分放大器電路的傳遞函數為：

當電阻R1 = R2和R3 = R4時，上述差分放大器的傳遞函數可以簡化為以下表達式：

差分放大器公式

如果所有電阻均具有相同的歐姆值，即：R1 = R2 = R3 = R4，則電路將變為單位增益差分放大器，并且放大器的電壓增益將恰好為1或1。那么輸出表達式將簡單地為Vout = V 2  – V 1。

還要注意，如果輸入V1高于輸入V2，則輸出電壓之和為負，如果V2高于V1，則輸出電壓之和為正。

該差分放大器電路是一個非常有用的運算放大器電路，并通過與所述輸入電阻器并聯增加更多的電阻器R1  和  R3，所得電路可以要么“添加”或“減去”的電壓施加到它們各自的輸入上。這樣做的最常見方法之一是將“電阻橋”（通常稱為惠斯通電橋）連接到放大器的輸入，如下所示。

惠斯通電橋差分放大器電路

現在，標準差分放大器電路通過將一個輸入電壓與另一個輸入電壓進行“比較”，從而成為差分電壓比較器。例如，通過將一個輸入連接到在電阻橋網絡的一個分支上建立的固定參考電壓，而將另一輸入連接到“熱敏電阻”或“光敏電阻”，則放大器電路可用于檢測低或高當輸出電壓成為電阻橋的活動引腳的變化的線性函數時，溫度或光的水平將變化，下面對此進行說明。

光激活差分放大器

此處，上面的電路用作光控開關，當LDR電阻器檢測到的光強度超過或低于某個預設值時，該開關會將輸出繼電器“接通”或“關斷”。固定參考電壓通過R1-R2分壓器網絡施加到運算放大器的同相輸入端子。

V 1處的電壓值通過反饋電位計VR2設置運放的跳變點，VR2用于設置開關滯后。那是“ ON”的光水平和“ OFF”的光水平之間的差異。

差分放大器的第二腳由一個標準的光敏電阻器（也稱為LDR）組成，其光阻傳感器隨其單元上的光量改變其電阻值（因此而得名），因為其電阻值是照明的函數。

LDR可以是任何標準類型的硫化鎘（cdS）光電導電池，例如普通的NORP12，其在陽光下的電阻范圍在約500Ω到在黑暗中的電阻范圍在約20kΩ或更大。

NORP12光電導電池具有類似于人眼的光譜響應，因此非常適合用于照明控制類型的應用。光電管電阻與光強度成正比，并且隨著光強度的增加而下降，因此，V2處的電壓水平也將在開關點以上或以下變化，這可由VR1的位置確定。

然后，通過使用電位計VR1調節光跳閘或設置位置，并使用電位計VR2調節開關滯后，可以制成精密的光敏開關。根據應用的不同，運算放大器的輸出可以直接切換負載，或使用晶體管開關來控制繼電器或燈本身。

通過用熱敏電阻代替光敏電阻，也可以使用這種簡單的電路配置來檢測溫度。通過交換VR1和LDR的位置，該電路可用于檢測熱敏電阻的亮或暗，或熱或冷。

這種放大器設計的一個主要限制是，與其他運算放大器配置（例如同相（單端輸入）放大器）相比，其輸入阻抗更低。

每個輸入電壓源都必須通過輸入電阻來驅動電流，該輸入電阻的總阻抗比單獨的運算放大器輸入要小。這對于低阻抗源（例如上面的橋電路）可能是好的，但對于高阻抗源卻不是那么好。

解決此問題的一種方法是向每個輸入電阻添加一個Unity增益緩沖放大器，例如上一教程中介紹的電壓跟隨器。這樣就給我們提供了一個差分放大器電路，它具有很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，因為它由兩個同相緩沖器和一個差分放大器組成。這樣就構成了大多數“樂器放大器”的基礎。

儀表放大器

儀表放大器是非常高的增益差分放大器，具有高輸入阻抗和單端輸出。儀表放大器主要用于放大來自電機控制系統中的應變儀，熱電偶或電流檢測設備的非常小的差分信號。

與標準運算放大器的閉環增益由連接在其輸出端子和一個輸入端子之間的外部電阻反饋來確定不同，“儀表放大器”具有一個內部反饋電阻，該電阻有效地與其輸入端子隔離，該運算放大器的正向或負向反饋當輸入信號施加在兩個差分輸入V1和V2上時。

儀表放大器還具有非常好的共模抑制比，CMRR（V 1  =  V 2時為零輸出）在直流時遠遠超過100dB。具有高輸入阻抗（Zin）的三運放儀表放大器的典型示例  如下：

高輸入阻抗儀表放大器

這兩個同相放大器構成差分輸入級，用作緩沖放大器，差分輸入信號的增益為1 + 2R2 / R1，共模輸入信號的增益為單位增益。由于放大器A1和A2是閉環負反饋放大器，我們可以期望Va處的電壓等于輸入電壓V1。同樣，Vb的電壓等于V2的電壓。

由于運算放大器在其輸入端子（虛擬地）上沒有電流，因此相同的電流必須流經連接在運算放大器輸出兩端的R2，R1和R2的三個電阻網絡。這意味著，R1上端的電壓將等于V1，R1下端的電壓將等于V2。

這會在電阻R1兩端產生一個電壓降，該電壓降等于輸入V1和V2之間的電壓差（差分輸入電壓），因為每個放大器的求和點Va和Vb的電壓等于施加到其正輸入的電壓。

但是，如果將共模電壓施加到放大器輸入，則R1兩側的電壓將相等，并且沒有電流流過該電阻器。由于沒有電流流過R1（因此也沒有流過兩個R2電阻，所以放大器A1和A2將作為單位增益跟隨器（緩沖器）工作。由于放大器A1和A2輸出上的輸入電壓在三個電阻器網絡上出現差異通過改變R1的值可以改變電路的差分增益。

差分運算放大器A3充當減法器的輸出電壓，僅是其兩個輸入之間的電壓差（V2 - V1），并且被A3的增益放大，該增益可能為1，單位為零（假設R3 = R4）。然后，對于儀表放大器電路的總電壓增益，我們有一個通用表達式：

儀表放大器公式

以上就是英銳恩單片機開發工程師分享的有關差分放大器的運算放大器基礎知識。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發，提供8位單片機、16位單片機、32位單片機、運算放大器和模擬開關。