差分放大器放大其反相和非反相輸入端的電壓差

到目前為止，我們只使用其中一個(gè)運(yùn)算放大器輸入連接到放大器，使用“反相”或“非反相”輸入端子放大單個(gè)輸入信號(hào)，另一個(gè)輸入接地。

但標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有兩個(gè)輸入，反相和反相，我們還可以同時(shí)將信號(hào)連接到這兩個(gè)輸入，產(chǎn)生另一種常見類型的運(yùn)算放大器電路，稱為差分放大器。

基本上，正如我們?cè)诘谝粋€(gè)教程中看到的那樣關(guān)于運(yùn)算放大器，所有運(yùn)算放大器都是“差分放大器”，因?yàn)樗鼈兊妮斎肱渲?。但是通過將一個(gè)電壓信號(hào)連接到一個(gè)輸入端子而將另一個(gè)電壓信號(hào)連接到另一個(gè)輸入端子上，所得到的輸出電壓將與 V 1 的兩個(gè)輸入電壓信號(hào)之間的“差值”成比例。 和 V 2 。

然后差分放大器放大兩個(gè)電壓之間的差異，使這種類型的操作放大器電路a減法器與求和放大器不同，后者將輸入電壓相加或相加。這種類型的運(yùn)算放大器電路通常稱為差分放大器配置，如下所示：

差分放大器

通過將每個(gè)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(shù)如下：

電阻， R1 = R2 和 R3 = R4 差分放大器的上述傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為以下表達(dá)式：

差分放大器公式

如果所有電阻都具有相同的歐姆值，那就是： R1 = R2 = R3 = R4 然后電路將成為單位增益差分放大器，放大器的電壓增益將恰好為1或1。然后輸出表達(dá)式只是 Vout = V 2 -V 1 。

另請(qǐng)注意，如果輸入 V1 高于輸入 V2 輸出電壓總和為負(fù)，如果 V2 高于 V1 ，則輸出電壓和將為正。

差分放大器電路是一個(gè)非常有用的運(yùn)算放大器電路，通過添加更多電阻并與輸入電阻 R1 和 R3 ，可以使得到的電路“加”或“減去”施加到它們各自輸入的電壓。最常見的方法之一是將通常稱為惠斯通電橋的“電阻電橋”連接到放大器的輸入端，如下所示。

惠斯通電橋差動(dòng)放大器

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標(biāo)準(zhǔn)差分放大器電路現(xiàn)在通過“比較”成為差分電壓比較器“一個(gè)輸入電壓到另一個(gè)。例如，通過將一個(gè)輸入連接到設(shè)置在電阻橋網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)支路上的固定電壓參考，將另一個(gè)輸入連接到“熱敏電阻”或“光敏電阻”，放大器電路可用于檢測(cè)低電平或高電平。當(dāng)輸出電壓變?yōu)殡娮桦姌蛴行е纷兓木€性函數(shù)時(shí)，溫度或光的電平如下所示。

光激活差分放大器

這里上面的電路用作一個(gè)光激活開關(guān)，它將輸出繼電器轉(zhuǎn)為“ON”或“OFF”，因?yàn)闄z測(cè)到的亮度由LDR電阻超過或低于某個(gè)預(yù)設(shè)值。通過 R1 - R2 分壓器網(wǎng)絡(luò)將固定參考電壓施加到運(yùn)算放大器的同相輸入端。

V <時(shí)的電壓值sub> 1 使用反饋電位計(jì)設(shè)置運(yùn)算放大器跳變點(diǎn)， VR2 用于設(shè)置開關(guān)遲滯。這是“ON”的亮度和“OFF”的亮度之間的差異。

差分放大器的第二段由標(biāo)準(zhǔn)的光敏電阻組成，也稱為L(zhǎng)DR，光阻性傳感器改變其電阻值（因此得名）與其電池的光量，因?yàn)樗鼈兊碾娮柚凳钦斩鹊暮瘮?shù)。

LDR可以是任何標(biāo)準(zhǔn)類型的硫化鎘（cdS）光電導(dǎo)電池，如普通的NORP12，在陽光下的電阻范圍在約500Ω之間，在黑暗中的電阻范圍在約20kΩ以上。

NORP12光電導(dǎo)的光譜響應(yīng)與人眼的相似它非常適用于照明控制型應(yīng)用。光電管電阻與光電平成正比，隨著光強(qiáng)度的增加而下降，因此 V2 的電壓電平也會(huì)在切換點(diǎn)之上或之下變化，這可以通過 VR1的位置來確定。

然后使用電位計(jì) VR1 調(diào)節(jié)亮度跳閘或設(shè)定位置，使用電位器調(diào)節(jié)開關(guān)遲滯， VR2 精密燈 - 可以制作敏感開關(guān)。根據(jù)應(yīng)用，運(yùn)算放大器的輸出可以直接切換負(fù)載，或者使用晶體管開關(guān)來控制繼電器或燈本身。

也可以使用這種類型的溫度來檢測(cè)溫度。通過用熱敏電阻替換光敏電阻來簡(jiǎn)化電路配置。通過交換 VR1 和 LDR 的位置，該電路可用于檢測(cè)亮或暗，或使用熱敏電阻檢測(cè)熱量或冷量。

此類放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要限制是其輸入阻抗低于其他運(yùn)算放大器配置，例如，非反相（單端輸入）放大器。

每個(gè)輸入電壓源必須通過輸入電阻驅(qū)動(dòng)電流，輸入電阻的總阻抗小于單獨(dú)的運(yùn)算放大器輸入。這對(duì)于諸如上面的橋接電路的低阻抗源可能是好的，但對(duì)于高阻抗源則不太好。

解決此問題的一種方法是在每個(gè)輸入電阻上添加一個(gè)Unity Gain Buffer Amplifier，例如上一個(gè)教程中的電壓跟隨器。這樣就為我們提供了一個(gè)差分放大器電路，它具有很高的輸入阻抗和低輸出阻抗，因?yàn)樗蓛蓚€(gè)非反相緩沖器和一個(gè)差分放大器組成。這就形成了大多數(shù)“儀表放大器”的基礎(chǔ)。

儀表放大器

儀表放大器（儀表放大器）是非常高增益的差分放大器，它具有高輸入阻抗和單端輸出。儀表放大器主要用于放大電機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)變儀，熱電偶或電流檢測(cè)設(shè)備的非常小的差分信號(hào)。

與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器不同，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益由外部電阻反饋決定它們的輸出端子和一個(gè)輸入端子之間連接正極或負(fù)極，“儀表放大器”有一個(gè)內(nèi)部反饋電阻，當(dāng)輸入信號(hào)施加在兩個(gè)差分輸入端 V1 和 V2 。

儀表放大器還具有非常好的共模抑制比，CMRR（ V 1 時(shí)的零輸出 = V 2 ）在DC時(shí)超過100dB。下面給出了具有高輸入阻抗（ Zin ）的三運(yùn)放儀表放大器的典型示例：

高輸入阻抗儀表放大器

兩個(gè)非反相放大器構(gòu)成一個(gè)差分輸入級(jí)，用作緩沖放大器，增益為 1 + 2R2 / R1 用于差分輸入信號(hào)和共模輸入信號(hào)的單位增益。由于放大器 A1 和 A2 是閉環(huán)負(fù)反饋放大器，我們可以預(yù)期 Va 的電壓等于輸入電壓 V1 。同樣， Vb 處的電壓等于 V2 處的值。

由于運(yùn)算放大器的輸入端子沒有電流（虛擬）接地），相同的電流必須流過連接在運(yùn)算放大器輸出端的 R2 ， R1 和 R2 三個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)。這意味著 R1 上端的電壓將等于 V1 ，并且 R1 的下端電壓相等至 V2 。

這會(huì)在電阻 R1 上產(chǎn)生電壓降，該電壓降等于輸入 V1 之間的電壓差。 V2 ，差分輸入電壓，因?yàn)槊總€(gè)放大器的求和點(diǎn)的電壓 Va 和 Vb 等于施加于其上的電壓正輸入。

但是，如果將共模電壓施加到放大器輸入端，則 R1 兩側(cè)的電壓將相等，并且沒有電流流過此電阻。由于沒有電流流過 R1 （因此，通過兩個(gè) R2 電阻，放大器 A1 和 A2 將運(yùn)行作為單位增益跟隨器（緩沖器）。由于放大器 A1 和 A2 輸出端的輸入電壓在三個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)差分，因此電路的差分增益可以只需更改 R1 的值即可改變。

差分運(yùn)算放大器 A3 的電壓輸出作為減法器，只是區(qū)別在它的兩個(gè)輸入之間（ V2 - V1 ），它被 A3 的增益放大，可能是1，單位，（假設(shè) R3 = R4 ）。然后我們得到儀表放大器電路總電壓增益的一般表達(dá)式：

儀表放大器方程

在下一個(gè)關(guān)于運(yùn)算放大器的教程中，我們將研究輸出v的影響當(dāng)反饋電阻以電容形式的頻率相關(guān)電抗代替時(shí)，電壓， Vout 。增加該反饋電容產(chǎn)生稱為積分放大器的非線性運(yùn)算放大器電路。