差分放大器

在本教程中,我们将学习模拟电路设计中的一个重要电路:差分放大器。它本质上是一个电子放大器,它有两个输入,放大两个输入之间的差值。我们将看到一个差分放大器的工作,计算它的增益和共模抑制比,列出一些重要的特性,并看一个例子和应用。

介绍

运算放大器在内部是差分放大器(其第一阶段),其他重要功能,如高输入阻抗,低输出阻抗等。有关OP-AMP的更多信息,请阅读运算放大器基础知识

差动对或差动放大器配置是模拟集成电路设计中应用最广泛的组成部分之一。它是每一个运算放大器的输入级。

差分放大器或差分放大器放大两个输入信号之间的差异。运算放大器是差分放大器;它有一个反相输入和一个非反相输入。但是运放的开环电压增益太高(理想情况下是无穷大),不能在没有反馈连接的情况下使用。

因此,一个实用的差分放大器使用负反馈来控制放大器的电压增益。

差分放大器

下图显示了一个使用运放的简单差分放大器1非反相输入电压V2反相输入电压和V是多少为输出电压。

Differential-Amp-1

如果你观察上述电路的差分放大器,它是两者的组合反相放大器非反相放大器。因此,为了计算差分放大器的输出电压,我们将使用反相和非反相输出并将它们相加。

计算输出电压

让V+是非反相终端和v的电压- - - - - -为上述差分放大电路的反相端电压。我们可以计算出V的值+使用潜在的分隔规则。

电阻R1和R.2用V构成分压网络1为输入电压和V+作为输出电压和V+应用在非反相终端。所以,

V+= V1(右2/ R1+ R.2)

如果V+输入到非反相端子和G+是非反相放大器的增益,那么非反相输出的V了+是由:

V了+= V+G+

从上述电路,我们可以计算非反相增益G.+为:

G+=(r.3.+ R.4) / R3.= 1 +(r4/ R3.)

用V的值+和G.+在V的方程中了+,我们得到

V了+= V1(右2/ R1+ R.2(1 + (R4/ R3.))

到反相输出V——我们需要对输入V的倒数进行计算2反增益G- - - - - -

V——= V2G- - - - - -

从上述电路中,我们可以计算出反相增益G- - - - - -为:

G- - - - - -R = -4/ R3.

所以,V——是由:

V——= V2(- R4/ R3.)

我们有两个V了+和V.——值。得到最后的V值,我们必须添加这些值。

V= V++ V.——

V= V1(右2/ R1+ R.2(1 + (R4/ R3.))——V2(右4/ R3.)

这是差分放大器的输出电压。上面的等式看起来很复杂。因此,为了减少复杂性并简单的等式,让我们在其中采取特殊的情况3.= R1和R.4= R2

如果我们在上述等式中应用这些值,则输出电压为:

V= R2/ R1(V1- V.2) = R4/ R3.(V1- V.2)

现在,从这个方程,很明显,差分电压(V1- V.2)乘以增益R2/ R1。因此,它是差分放大器。

另一种计算输出电压的方法

现在让我们通过计算运算放大器反相输入处的电流来计算输出电压。让我们假设一个差分放大器的电路如下。这个电路与前一个类似,除了这是R的特殊情况3.= R1和R.4= R2之前的巡回法庭。

Differential-Amp-2

首先,我们必须确定非反相终端的电压(V+)。我们已经在前面的推导中用分压器法则计算过了。该值由:

V+= V1(右2/ R1+ R.2)

现在,从运算放大器的基本理解来看,我们可以说运算放大器的输入端子没有电流流入或流出。因此,进入逆变端I的电流1与当前离开码头的情况相同2

1=我2

参考这条规则,我们可以在反相输入端应用基尔霍夫电流定律,得到:

(V2- V.- - - - - -) / R1=(V.- - - - - -- V.) / R2

运算放大器的另一个重要规则是它尽量保持输入端电压相同。所以,V+= V- - - - - -使用此规则,我们可以取代v- - - - - -在上面的等式中,先前计算的v+价值。

替换并进行一些计算后,我们得到:

V= R2/ R1(V1- V.2)

注意:在之前的计算中,我们取一个特殊的R3.= R1和R.4= R2。实际上,我们要考虑的是,

R3./ R4= R1/ R2

如果采用这种条件,就说电桥上的电阻是平衡的。

差分放大器的重要参数

现在我们来看看差分放大器的一些重要参数。它们是:

  • 获得
  • 共模输入
  • 共模抑制比(CMRR)

差动放大器增益

差分放大器的增益是输出信号与输入信号之差的比值。根据前面的计算,我们得到了输出电压V作为

V= R2/ R1(V1- V.2)

所以,差分放大器增益AD是由

一个D= V/ (V1- V.2) = R2/ R1

共模输入

在前面的所有计算中,我们都假设桥的平衡状态为R3./ R4= R1/ R2。为了理解差分放大器或差分放大器的一个独特特性,我们必须看一看差分模输入和共模输入分量。

差分模式输入VDM和共模输入V厘米是由:

VDM= V1- V.2

V厘米=(V.1+ V.2) / 2

把上面两个方程重新排列一下,我们得到

V1= V厘米+ V.DM/ 2和V2= V厘米- V.DM/ 2

下面的电路显示共模输入信号。

Differential-Amp-3

由于差别放大器仅放大差分模式分量,因此它忽略了共模组件。如果我们将输入系在一起,VDM变成0 V厘米为非零值。

但真正的差分放大器会产生V= 0,因为它完全忽略输入信号的共模部分。因此,差分放大器通常用于系统的输入级,以消除输入端的直流或共模噪声。

当且仅当电阻形成平衡电桥条件时,所有这些计算都是正确的。由于实际差分放大器的输出取决于输入电阻的比值,如果这些电阻的比值不完全相等,则共模电压V厘米不会被完全取消。因为在实际中不可能完美地匹配电阻比,所以很可能存在一些共模电压。

在共模输入电压存在的情况下,差分放大器的输出电压为:

V=一个DVDM+ A.CV厘米

在VDM是差分电压v1- V.2

V厘米共模电压(V1+ V.2) / 2

一个DA.C分别为差模增益和共模增益。

共模抑制比(CMRR)

差分放大器对共模输入信号的抑制能力用共模抑制比(CMRR)表示。差分放大器的共模抑制比在数学上是由差分电压增益(aD对差分放大器的共模增益(AC)。

CMRR = A.D/一个C

用分贝(dB)表示CMRR为

CMRRdB= 20日志10(|D/一个C|)

对于理想差分放大器,共模电压增益为零。因此,CMRR是无限的。

差分放大器的特性

  • 高差动电压增益
  • 低共模增益
  • 高输入阻抗
  • 低输出阻抗
  • 高CMRR
  • 大的带宽
  • 低偏移电压和电流

差分放大器作为比较器

差分放大器电路是非常有用的运算放大器电路,因为它可以被配置为“添加”或“减去”输入电压,通过适当地与输入电阻平行地添加更多电阻器。

惠斯通电桥差动放大电路设计如下图所示。该电路的工作原理类似于差压比较器。

2.Wheastone桥

通过将输入到固定电压和另一个输入连接到热敏电阻(或轻依赖电阻),差分放大器电路检测高或低水平的温度(或光强度),因为输出电压变为线性函数电阻桥网络有源腿的变化。

惠斯通电桥差动放大器也可以通过比较电阻之间的输入电压来找到电阻桥网络中的未知电阻。

采用差分放大器的光激活开关

如下图所示的电路充当光依赖开关,当落在光依赖电阻(LDR)上的光的强度超过或低于非反相输入端V的预设值时,将输出继电器“ON”或“OFF”2

3.光激活差动放大器

V的电压2是由可变电阻V决定的吗R1。电阻R1和R.2充当潜在的分频器网络。固定的参考电压施加到反相输入,通过r1和R.2

只需用热敏电阻代替LDR,同样的电路就可以检测温度的变化。通过交换LDR和V的位置R1,这种电路可以用来探测黑暗或光亮(如果是热敏电阻,则可以探测热或冷)。

差分放大器的例子

确定用于输入电压为300μV和240μV的输入电压的差分放大器的输出电压。放大器的差分增益为5000,CMRR的值是

(i)100

(ii)105

给定数据的差分放大器如图所示。

4.差分放大器示例

当CMRR = 100时:

CMRR = A.D/一个C

100 = 5000 / AC

所以,A.C= 50

差异模式电压VDM

VDM= V1- V.2= 300µV - 240µV = 60µV

共模电压V厘米

V厘米=(V.1+ V.2)/ 2 =540μV/ 2 =270μV

输出电压V.

V=一个DVDM+ A.CV厘米

= 5000 x 60µV + 50 x 270µV

V= 313500µV = 313.500 mV

对于CMRR = 105:

一个C=一个D/ cmrr = 5000/105= 0.05

V=一个DVDM+ A.CV厘米= 5000 x 60µV + 0.05 x 270µV

V= 300013.5µV = 300.0135 mV

注意:对于理想差分放大器或差分放大器,AC是0。所以输出只有ADVDM,这导致v= 5000 x 60µV = 300 mV。

差分放大器的总结

  • 差分放大器,也称为差分放大器,是一种非常有用的运放配置,它放大输入电压之间的差异。
  • 差分放大器是反相和非反相放大器的组合。它使用负反馈连接来控制差分电压增益。
  • 放大器的差分电压增益取决于输入电阻的比值。因此,通过仔细选择输入电阻,就有可能精确地控制差分放大器的增益。
  • 理想差分放大器的共模增益为零。但由于在实用电阻值中不匹配,将存在非常小的共模电压和有限的共模增益。
  • 通过适当地修改输入端子上的电阻连接,可以使用差分放大器对施加的输入电压电平进行加、减和比较。

2回复

  1. 如果在差分放大器中电阻R1=R4;R3=Rf,那么输出增益会随着电阻的变化而变化,对吗?给我你的解释

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