差分放大器工作原理和基本电路形式

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1、差分放大器工作原理和基本电路形式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；

2、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 Q1Q2 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2.5V2.5V=

3、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UC1UC2=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

4、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

5、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点二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”

6、状 态，即输出端为0V，才能满足b点二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 IN1IN2 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(2.8V1.5V)/10k，则R4两端电压降为 1.3VX4=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 倍数二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

7、大倍数为(1N1-IN2) X R4/R3 =-OUT上图b中的电路，是 IN1lt;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。