差分放大器的工作原理和基本電路圖解析

2020-12-11 電子發燒友

　  差分放大器的工作原理

        雖然運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用（即一端用於信號輸入，一端接地），由此可以看出任一信號迴路的兩端特性，一端接地，一端即信號。就同相放大器而言，信號輸入同相端，反相器必有接地迴路；就反相放大器而言，信號從反相輸入端進入，則同相端即為接地端。由接地迴路的不同，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，分別從兩個輸入端同時輸入，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

 

圖1基本電路形式

 

 

　　差分放大器，據從輸入、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，其中就運放器件電路構成的差分放大器而言，雙端輸入、單端輸出的電路形式應用廣泛。

　　差分放大器的電路優點：放大差模信號抑制共模信號，在抗幹擾性能上有「過人之處」，這與其電路結構是分不開的。可以用兩隻三極體電路搭建一個如圖1中的a電路，說明差分放大器的電路特性。

     差分放大器的特點

　　（1）對單電源供電的放大器電路，其輸出端（即Q1\Q2的C極）靜態工作點為1/2Vcc最為適宜，能保障其最大動態輸出範圍。只要RC1、RB1等偏置元件取值合適，則可使UC1、UC2的靜態電壓為2.5V，即靜態差分輸出電壓2.5V－2.5V＝0V；

　　（2）電路設計儘可能使Q1、Q2的靜態工作參數一致，二者構成「鏡像」電路，RE為電流負反饋電阻，其直流電阻小，動態電阻極大（流過的電流近乎恆定），以提升電路的差分性能。

　　（3）當IN+=IN－時，或者二者信號電壓同步升降時，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為0V。如二路輸入信號在靜態基礎上產生了Q1、Q2基極電流的同樣增量，則集電極電壓會產生下降，如由2.5V降低為1.5V時，則UC1-UC2=1.5V－1.5V＝0V，這說明電路對共模輸入信號不予理會，具備優良的抗幹擾性能。

　　眾所周知，RS485通訊電路，就是利用差分總線傳輸方式，產生了強有力的抗幹擾效果。

　　（4）當IN+、IN－輸入信號在靜態基礎上有相對變化，即IN+-IN-≠0時，如IN+輸入電壓往正方向變化時，OUT-會往負方向變化（同時OUT+會往正方向變化），使得兩個輸出端反向偏離2.5V產生了信號輸出。當OUT-為1.5V，OUT+為3.5V時，此時使產生了2V的信號電壓輸出。

　　說明電路對差模信號進行了有效放大。差分放大器是有選擇性的放大器，忽略共模幹擾，放大有用信號。

　　圖1中的b電路，是用運放器件構成的差分放大器。圖中明顯看到，無論輸入信號是2.5V或5V，只要IN1=IN2，OUT端即是0V。從此角度和意義上來講，當差分放大器的偏置元件R1=R3，R2=R4時，並且IN1=IN2時，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呈現「虛地」特性呢？

　　圖2 差分放大器工作狀態圖

　　上圖a電路，是輸入信號IN1=IN2的狀態。

　　（1）因輸入端的「虛斷」特性，同相輸入端為高阻態，其輸入電壓值僅僅取決於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電壓；

　　（2）因兩輸入端的「虛短」特性，可進而推知其反相輸入端，即R3、R4串聯分壓電路，其b點=a點=2V。這是反饋電壓。放大器的控制目的是使反饋電壓等於基準電壓；

　　（3）由R1=R3，R2=R4條件可知，放大器輸出端只有處於「虛地」狀態，即輸出端為0V，才能滿足b點=a點=2V，這可以由此導出差分放大器的一個工作特徵。

　　上圖b中的（1）電路，是IN1》IN2的狀態。

　　（1）此時因同相輸入端電壓高於反相輸入端，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；

　　（2）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。

　　（4）此時的輸入電壓差為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=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為 （1N1-IN2） ×R4/R3 =-OUT

　　上圖b中的（2）電路，是IN1《IN2的狀態。

　　此時因反同相輸入端電壓高於同相輸入端，輸出端電壓往負方向變化，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放大了4倍。

　　從電路的工作（故障）狀態判斷來說，直接測量R3、R4串聯電路的分壓狀態，只要R3、R4串聯分壓是成立的，則電路就大致上（起碼運放晶片）就是好的；電路的電壓放大倍數也由此得出；只要測量輸入電壓差（R1、R3左端電壓差），再測量輸出端電壓進行比較，則外圍偏置電路的好壞，也會得出明確的結論。

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