不同差分放大器公式

差分放大器放大其反相和非反相输入端的电压差

到目前为止，我们只使用其中一个运算放大器输入连接到放大器，使用“反相”或“非反相”输入端子放大单个输入信号，另一个输入接地。

但标准运算放大器有两个输入，反相和反相，我们还可以同时将信号连接到这两个输入，产生另一种常见类型的运算放大器电路，称为差分放大器。

基本上，正如我们在第一个教程中看到的那样关于运算放大器，所有运算放大器都是“差分放大器”，因为它们的输入配置。但是通过将一个电压信号连接到一个输入端子而将另一个电压信号连接到另一个输入端子上，所得到的输出电压将与 V 1 的两个输入电压信号之间的“差值”成比例。 和 V 2 。

然后差分放大器放大两个电压之间的差异，使这种类型的操作放大器电路a减法器与求和放大器不同，后者将输入电压相加或相加。这种类型的运算放大器电路通常称为差分放大器配置，如下所示：

差分放大器

通过将每个输入依次连接到0v接地，我们可以使用叠加来求解输出电压 Vout 。然后差分放大器电路的传递函数如下：

电阻， R1 = R2 和 R3 = R4 差分放大器的上述传递函数可简化为以下表达式：

差分放大器公式

如果所有电阻都具有相同的欧姆值，那就是： R1 = R2 = R3 = R4 然后电路将成为单位增益差分放大器，放大器的电压增益将恰好为1或1。然后输出表达式只是 Vout = V 2 -V 1 。

另请注意，如果输入 V1 高于输入 V2 输出电压总和为负，如果 V2 高于 V1 ，则输出电压和将为正。

差分放大器电路是一个非常有用的运算放大器电路，通过添加更多电阻并与输入电阻 R1 和 R3 ，可以使得到的电路“加”或“减去”施加到它们各自输入的电压。最常见的方法之一是将通常称为惠斯通电桥的“电阻电桥”连接到放大器的输入端，如下所示。

惠斯通电桥差动放大器

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标准差分放大器电路现在通过“比较”成为差分电压比较器“一个输入电压到另一个。例如，通过将一个输入连接到设置在电阻桥网络的一个支路上的固定电压参考，将另一个输入连接到“热敏电阻”或“光敏电阻”，放大器电路可用于检测低电平或高电平。当输出电压变为电阻电桥有效支路变化的线性函数时，温度或光的电平如下所示。

光激活差分放大器

这里上面的电路用作一个光激活开关，它将输出继电器转为“ON”或“OFF”，因为检测到的亮度由LDR电阻超过或低于某个预设值。通过 R1 - R2 分压器网络将固定参考电压施加到运算放大器的同相输入端。

V <时的电压值sub> 1 使用反馈电位计设置运算放大器跳变点， VR2 用于设置开关迟滞。这是“ON”的亮度和“OFF”的亮度之间的差异。

差分放大器的第二段由标准的光敏电阻组成，也称为LDR，光阻性传感器改变其电阻值（因此得名）与其电池的光量，因为它们的电阻值是照度的函数。

LDR可以是任何标准类型的硫化镉（cdS）光电导电池，如普通的NORP12，在阳光下的电阻范围在约500Ω之间，在黑暗中的电阻范围在约20kΩ以上。

NORP12光电导的光谱响应与人眼的相似它非常适用于照明控制型应用。光电管电阻与光电平成正比，随着光强度的增加而下降，因此 V2 的电压电平也会在切换点之上或之下变化，这可以通过 VR1的位置来确定。

然后使用电位计 VR1 调节亮度跳闸或设定位置，使用电位器调节开关迟滞， VR2 精密灯 - 可以制作敏感开关。根据应用，运算放大器的输出可以直接切换负载，或者使用晶体管开关来控制继电器或灯本身。

也可以使用这种类型的温度来检测温度。通过用热敏电阻替换光敏电阻来简化电路配置。通过交换 VR1 和 LDR 的位置，该电路可用于检测亮或暗，或使用热敏电阻检测热量或冷量。

此类放大器设计的一个主要限制是其输入阻抗低于其他运算放大器配置，例如，非反相（单端输入）放大器。

每个输入电压源必须通过输入电阻驱动电流，输入电阻的总阻抗小于单独的运算放大器输入。这对于诸如上面的桥接电路的低阻抗源可能是好的，但对于高阻抗源则不太好。

解决此问题的一种方法是在每个输入电阻上添加一个Unity Gain Buffer Amplifier，例如上一个教程中的电压跟随器。这样就为我们提供了一个差分放大器电路，它具有很高的输入阻抗和低输出阻抗，因为它由两个非反相缓冲器和一个差分放大器组成。这就形成了大多数“仪表放大器”的基础。

仪表放大器

仪表放大器（仪表放大器）是非常高增益的差分放大器，它具有高输入阻抗和单端输出。仪表放大器主要用于放大电机控制系统中应变仪，热电偶或电流检测设备的非常小的差分信号。

与标准运算放大器不同，标准运算放大器的闭环增益由外部电阻反馈决定它们的输出端子和一个输入端子之间连接正极或负极，“仪表放大器”有一个内部反馈电阻，当输入信号施加在两个差分输入端 V1 和 V2 。

仪表放大器还具有非常好的共模抑制比，CMRR（ V 1 时的零输出 = V 2 ）在DC时超过100dB。下面给出了具有高输入阻抗（ Zin ）的三运放仪表放大器的典型示例：

高输入阻抗仪表放大器

两个非反相放大器构成一个差分输入级，用作缓冲放大器，增益为 1 + 2R2 / R1 用于差分输入信号和共模输入信号的单位增益。由于放大器 A1 和 A2 是闭环负反馈放大器，我们可以预期 Va 的电压等于输入电压 V1 。同样， Vb 处的电压等于 V2 处的值。

由于运算放大器的输入端子没有电流（虚拟）接地），相同的电流必须流过连接在运算放大器输出端的 R2 ， R1 和 R2 三个电阻网络。这意味着 R1 上端的电压将等于 V1 ，并且 R1 的下端电压相等至 V2 。

这会在电阻 R1 上产生电压降，该电压降等于输入 V1 之间的电压差。 V2 ，差分输入电压，因为每个放大器的求和点的电压 Va 和 Vb 等于施加于其上的电压正输入。

但是，如果将共模电压施加到放大器输入端，则 R1 两侧的电压将相等，并且没有电流流过此电阻。由于没有电流流过 R1 （因此，通过两个 R2 电阻，放大器 A1 和 A2 将运行作为单位增益跟随器（缓冲器）。由于放大器 A1 和 A2 输出端的输入电压在三个电阻网络上出现差分，因此电路的差分增益可以只需更改 R1 的值即可改变。

差分运算放大器 A3 的电压输出作为减法器，只是区别在它的两个输入之间（ V2 - V1 ），它被 A3 的增益放大，可能是1，单位，（假设 R3 = R4 ）。然后我们得到仪表放大器电路总电压增益的一般表达式：

仪表放大器方程

在下一个关于运算放大器的教程中，我们将研究输出v的影响当反馈电阻以电容形式的频率相关电抗代替时，电压， Vout 。增加该反馈电容产生称为积分放大器的非线性运算放大器电路。