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運算放大器輸入連接到放大器，使用“反相”或“非反相”輸入端子放大單個輸入信號，另一個輸入接地。

但標準運算放大器有兩個輸入，反相和反相，我們還可以同時將信號連接到這兩個輸入，產生另一種常見類型的運算放大器電路，稱為差分放大器。

基本上，正如我們在第一個教程中看到的那樣關于運算放大器，所有運算放大器都是“差分放大器”，因為它們的輸入配置。但是通過將一個電壓信號連接到一個輸入端子而將另一個電壓信號連接到另一個輸入端子上，所得到的輸出電壓將與 V 1 的兩個輸入電壓信號之間的“差值”成比例。 和 V 2 。

然后差分放大器放大兩個電壓之間的差異，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如下：

電阻， R1 = R2 和 R3 = R4 差分放大器的上述傳遞函數可簡化為以下表達式：

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。然后輸出表達式只是 Vout = V 2 -V 1 。

另請注意，如果輸入 V1 高于輸入 V2 輸出電壓總和為負，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非常有用的運算放大器電路，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。

惠斯通電橋差動放大器

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標準差分放大器電路現在通過“比較”成為差分電壓比較器“一個輸入電壓到另一個。例如，通過將一個輸入連接到設置在電阻橋網絡的一個支路上的固定電壓參考，將另一個輸入連接到“熱敏電阻”或“光敏電阻”，放大器電路可用于檢測低電平或高電平。當輸出電壓變為電阻電橋有效支路變化的線性函數時，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光激活開關，它將輸出繼電器轉為“ON”或“OFF”，因為檢測到的亮度由LDR電阻超過或低于某個預設值。通過 R1 - R2 分壓器網絡將固定參考電壓施加到運算放大器的同相輸入端。

V <時的電壓值sub> 1 使用反饋電位計設置運算放大器跳變點， VR2 用于設置開關遲滯。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準的光敏電阻組成，也稱為LDR，光阻性傳感器改變其電阻值（因此得名）與其電池的光量，因為它們的電阻值是照度的函數。

LDR可以是任何標準類型的硫化鎘（cdS）光電導電池，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光電導的光譜響應與人眼的相似它非常適用于照明控制型應用。光電管電阻與光電平成正比，隨著光強度的增加而下降，因此 V2 的電壓電平也會在切換點之上或之下變化，這可以通過 VR1的位置來確定。

然后使用電位計 VR1 調節亮度跳閘或設定位置，使用電位器調節開關遲滯， VR2 精密燈 - 可以制作敏感開關。根據應用，運算放大器的輸出可以直接切換負載，或者使用晶體管開關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溫度。通過用熱敏電阻替換光敏電阻來簡化電路配置。通過交換 VR1 和 LDR 的位置，該電路可用于檢測亮或暗，或使用熱敏電阻檢測熱量或冷量。

此類放大器設計的一個主要限制是其輸入阻抗低于其他運算放大器配置，例如，非反相（單端輸入）放大器。

每個輸入電壓源必須通過輸入電阻驅動電流，輸入電阻的總阻抗小于單獨的運算放大器輸入。這對于諸如上面的橋接電路的低阻抗源可能是好的，但對于高阻抗源則不太好。

解決此問題的一種方法是在每個輸入電阻上添加一個Unity Gain Buffer Amplifier，例如上一個教程中的電壓跟隨器。這樣就為我們提供了一個差分放大器電路，它具有很高的輸入阻抗和低輸出阻抗，因為它由兩個非反相緩沖器和一個差分放大器組成。這就形成了大多數“儀表放大器”的基礎。

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控制系統中應變儀，熱電偶或電流檢測設備的非常小的差分信號。

與標準運算放大器不同，標準運算放大器的閉環增益由外部電阻反饋決定它們的輸出端子和一個輸入端子之間連接正極或負極，“儀表放大器”有一個內部反饋電阻，當輸入信號施加在兩個差分輸入端 V1 和 V2 。

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

高輸入阻抗儀表放大器

兩個非反相放大器構成一個差分輸入級，用作緩沖放大器，增益為 1 + 2R2 / R1 用于差分輸入信號和共模輸入信號的單位增益。由于放大器 A1 和 A2 是閉環負反饋放大器，我們可以預期 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算放大器輸出端的 R2 ， R1 和 R2 三個電阻網絡。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 。

這會在電阻 R1 上產生電壓降，該電壓降等于輸入 V1 之間的電壓差。 V2 ，差分輸入電壓，因為每個放大器的求和點的電壓 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 R2 電阻，放大器 A1 和 A2 將運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電阻網絡上出現差分，因此電路的差分增益可以只需更改 R1 的值即可改變。

差分運算放大器 A3 的電壓輸出作為減法器，只是區別在它的兩個輸入之間（ V2 - V1 ），它被 A3 的增益放大，可能是1，單位，（假設 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式：

儀表放大器方程

在下一個關于運算放大器的教程中，我們將研究輸出v的影響當反饋電阻以電容形式的頻率相關電抗代替時，電壓， Vout 。增加該反饋電容產生稱為積分放大器的非線性運算放大器電路。