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差分放大器工作原理和基本电路形式

时间:2022-01-03 07:27 浏览:17次 电路大全 差分放大器 工作 原理 基本 电路 形式

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;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2.5V-2.5V=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UC1-UC2=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=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”状态,即输出端为0V,才能满足b点=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IN1>IN2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(2.8V-1.5V)/10k,则R4两端电压降为1.3V×4=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=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大倍数为 (1N1-IN2) ×R4/R3 =-OUT上图b中的(2)电路,是IN1<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。

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