差分放大器的基本工作原理是利用电路结构的对称性来放大两个输入信号之间的差值（差模信号），同时抑制两个输入信号中相同的部分（共模信号）。

以下是其核心工作原理的详细说明：

1. 对称结构：

   • 典型差分放大器由两个完全相同的单端放大器组成（通常使用晶体管或运算放大器）。
   • 这两个单端放大器共享同一个发射极电流源/射极电阻（三极管电路）或同一个尾电流源（晶体管电路）。
   • 这种对称性是抑制共模信号的基础。

2. 输入信号：

   • 差分放大器有两个输入端：IN+（同相输入端）和IN-（反相输入端）。
   • 输入信号可以分解为两种成分：
     • 差模信号 (Vid)： 这是需要放大的有效信号部分。Vid = V+ - V-
     • 共模信号 (Vic)： 这是同时作用于两个输入端的、通常代表噪声或干扰的部分。Vic = (V+ + V-) / 2 (平均值)

3. 内部工作与信号处理：

   • 差模信号 (Vid)：
     • 当V+上升时，V-会下降（或者相反）。Vid = V+ - V-不为零。
     • 在对称电路中，V+增加导致其对应放大单元的电流增大，V-下降导致其对应放大单元的电流减小（或反之）。
     • 电流的变化在两个放大单元的输出端形成相反的电压变化（一个上升，一个下降）。这两个相反的电压变化最终在差分放大器的输出电路（例如集电极负载电阻或电流镜）处相互作用并合并。
     • 合并后的输出信号直接反映了输入差模电压的变化，并且被整个电路的*差模增益 (Ad)放大：Vod = Ad (V+ - V-)`
   • 共模信号 (Vic)：
     • 当V+和V-同时上升或下降相同的幅度时，V+ - V- = 0，即无差模输入。
     • 两个输入端的相同升高（或降低）会导致两个单端放大单元中的电流有同时增加（或减少）的趋势。
     • 然而，共享的电流源起到了关键作用：它试图维持总电流（IE₁ + IE₂或ID₁ + ID₂）恒定。因此，如果两个单管电流同时想增加，电流源就会限制它们；同理，如果同时想减少，电流源也无法提供那么大的电流。
     • 这就迫使每个单管电流只能发生非常微小的变化（相对于差模输入时的变化）。
     • 由于两个单管的电流变化量非常小且方向相同，它们在输出端产生的电压变化也就非常小并且方向相同。
     • 在理想的差分输出结构（例如两个集电极之间取输出）中，这两个相同方向的小电压变化会相互抵消，使得共模输出电压 (Voc) 趋近于零。
     • 电路的*共模增益 (Ac)非常低：Voc = Ac Vic ≈ 0`。实际上Ac远小于1（理想情况Ac=0）。

4. 输出：

   • 输出可以是差分输出（在两个单端输出之间取电压）或单端输出（其中一个单端输出对地电压）。
   • 对于差分输出：Vo = Vod + Voc ≈ Ad * (V+ - V-)
   • 对于单端输出：Vo ≈ (Ad / 2) * (V+ - V-) (共模抑制能力较差分输出稍弱)。

核心优势总结：

• 放大差值 (Ad较大)： 只放大有用信号（V+与V-的差）。
• 抑制共模噪声 (Ac很小)： 对于外部共模干扰（如电源纹波、温度漂移、50/60Hz工频干扰）具有极强的抑制能力。
• 抗干扰能力强： 当噪声以相同方式作用于两个输入端时，会被极大地衰减掉。

形象比喻：

想象两个人站在跷跷板的两端（代表差分输入）抬着同一根很粗的绳子（共享电流源/电阻）。

• 如果其中一个人向上抬起他那一端（V+上升），另一个人向下压他那一端（V-下降），跷跷板会明显翻转（差模信号被放大）。
• 如果两个人同时向上抬（V+和V+同时上升），或者同时向下压（V+和V+同时下降），由于绳子很粗难以大幅移动（电流源限制了总电流），跷跷板基本保持水平不动（共模信号被抑制）。

总之，差分放大器的巧妙结构使其成为提取微弱有用信号并抑制强背景噪声的理想电路模块，是模拟集成电路（尤其是运放）最核心的组成部分之一。 差分放大器的基本工作原理是利用电路结构的对称性来放大两个输入信号之间的差值（差模信号），同时抑制两个输入信号中相同的部分（共模信号）。

以下是其核心工作原理的详细说明：

1. 对称结构：

   • 典型差分放大器由两个完全相同的单端放大器组成（通常使用晶体管或运算放大器）。
   • 这两个单端放大器共享同一个发射极电流源/射极电阻（三极管电路）或同一个尾电流源（晶体管电路）。
   • 这种对称性是抑制共模信号的基础。

2. 输入信号：

   • 差分放大器有两个输入端：IN+（同相输入端）和IN-（反相输入端）。
   • 输入信号可以分解为两种成分：
     • 差模信号 (Vid)： 这是需要放大的有效信号部分。Vid = V+ - V-
     • 共模信号 (Vic)： 这是同时作用于两个输入端的、通常代表噪声或干扰的部分。Vic = (V+ + V-) / 2 (平均值)

3. 内部工作与信号处理：

   • 差模信号 (Vid)：
     • 当V+上升时，V-会下降（或者相反）。Vid = V+ - V-不为零。
     • 在对称电路中，V+增加导致其对应放大单元的电流增大，V-下降导致其对应放大单元的电流减小（或反之）。
     • 电流的变化在两个放大单元的输出端形成相反的电压变化（一个上升，一个下降）。这两个相反的电压变化最终在差分放大器的输出电路（例如集电极负载电阻或电流镜）处相互作用并合并。
     • 合并后的输出信号直接反映了输入差模电压的变化，并且被整个电路的*差模增益 (Ad)放大：Vod = Ad (V+ - V-)`
   • 共模信号 (Vic)：
     • 当V+和V-同时上升或下降相同的幅度时，V+ - V- = 0，即无差模输入。
     • 两个输入端的相同升高（或降低）会导致两个单端放大单元中的电流有同时增加（或减少）的趋势。
     • 然而，共享的电流源起到了关键作用：它试图维持总电流（IE₁ + IE₂或ID₁ + ID₂）恒定。因此，如果两个单管电流同时想增加，电流源就会限制它们；同理，如果同时想减少，电流源也无法提供那么大的电流。
     • 这就迫使每个单管电流只能发生非常微小的变化（相对于差模输入时的变化）。
     • 由于两个单管的电流变化量非常小且方向相同，它们在输出端产生的电压变化也就非常小并且方向相同。
     • 在理想的差分输出结构（例如两个集电极之间取输出）中，这两个相同方向的小电压变化会相互抵消，使得共模输出电压 (Voc) 趋近于零。
     • 电路的*共模增益 (Ac)非常低：Voc = Ac Vic ≈ 0`。实际上Ac远小于1（理想情况Ac=0）。

4. 输出：

   • 输出可以是差分输出（在两个单端输出之间取电压）或单端输出（其中一个单端输出对地电压）。
   • 对于差分输出：Vo = Vod + Voc ≈ Ad * (V+ - V-)
   • 对于单端输出：Vo ≈ (Ad / 2) * (V+ - V-) (共模抑制能力较差分输出稍弱)。

核心优势总结：

• 放大差值 (Ad较大)： 只放大有用信号（V+与V-的差）。
• 抑制共模噪声 (Ac很小)： 对于外部共模干扰（如电源纹波、温度漂移、50/60Hz工频干扰）具有极强的抑制能力。
• 抗干扰能力强： 当噪声以相同方式作用于两个输入端时，会被极大地衰减掉。

形象比喻：

想象两个人站在跷跷板的两端（代表差分输入）抬着同一根很粗的绳子（共享电流源/电阻）。

• 如果其中一个人向上抬起他那一端（V+上升），另一个人向下压他那一端（V-下降），跷跷板会明显翻转（差模信号被放大）。
• 如果两个人同时向上抬（V+和V+同时上升），或者同时向下压（V+和V+同时下降），由于绳子很粗难以大幅移动（电流源限制了总电流），跷跷板基本保持水平不动（共模信号被抑制）。

总之，差分放大器的巧妙结构使其成为提取微弱有用信号并抑制强背景噪声的理想电路模块，是模拟集成电路（尤其是运放）最核心的组成部分之一。