运放组成的差分放大电路

一. 来自传感器的信号往往很微弱，需要运放进行放大，以便后续的数字化处理。图一为基本差分放大电路，它是反相输入和同相输入相结合的电路，当电阻值满足：Rf/R1=R3/R2=K时,

Uo=K(Ui2-Ui1) ,K为差动放大倍数，图一的K=10 ;

由于有同相端的电阻分压网络和反相端的负反馈网络的存在，使得该电路的输入电阻不够大，如信号源的内阻比较大或是变化的，将会使输出信号产生较大的误差，换而言之，这种差分电路只能配低内阻信号源；同时该电路要求Rf/R1精确等于R3/R2，否则差分输入和输出之间将不是正比例线性函数关系，会同时放大共模信号，共模抑制比就会急剧下降，换句话说，该电路所用的电阻必须是低温漂的高精度电阻。

图一 基本差分放大器

为解决图一电路无法处理高内阻传感器信号的问题，可在差放电路的两个输入端各加一个电压跟随器进行缓冲隔离，如图二所示。电压跟随器输入电阻极高，可认为断路，不取用传感器电流，不影响传感器信号的大小；跟随器的输出此时是差放电路的信号源，其输出电阻很低，可忽略其存在，就能满足该电路对低内阻信号源的要求。

图二 带缓冲器的基本差分放大电路

图一所示的基本差分放大电路，其外接的四个电阻需要严格挑选，精确度要求很高，不易满足。一般选用将四个电阻集成在芯片内部的差分放大器。光刻芯片时，利用激光微调技术，可将四个电阻校准到极高的精度。INA143就是集成的基本差分放大器芯片，其内部结构及示例如图三所示。

图三 集成差分放大器构成的电路

二. 图四是同相比例电路，平衡电阻R2=R1//Rf ,由I+ =0,知Up=Ui ;在深度负反馈条件下，Un=Up=Ui，即输入电位转移到了N点，使得Un=Ui ；易推导出Uo=(1+Rf/R1)Ui ,当断开R1(即R1=无穷大)时，Uo=Ui，输出跟随输入，得到图五所示的电压跟随器电路。现根据前面提及的电路，说明图六所示三运放构成的差分放大电路。

图四 同相比例放大电路

图五 电压跟随器

图六 三运放差分放大电路

图六所示的三运放差分放大电路由两级差动放大电路组成，A1、A2构成第一级差放电路，是两个同相比例电路的组合。由于引入了深度电压串联负反馈电路，使输入电阻大大增加，可视为断路，又使输出电阻大大减小，可视为零，为第二级基本差放电路创造了优良的工作条件；A3构成了第二级差放电路。

根据前述同相比例电路的特点，Ui2转移到了A点，即UA=Ui2 ;Ui1转移到了B点，即UB=Ui1,故流过R2的电流为：i=(Ui2-Ui1)/R2 ;又因iA=iB=0 ,R1、R2、R1中流过相同的电流i，所以对于差模信号而言：

Uo2-Uo1=(1+2R1/R2)(Ui2-Ui1) ,

Uo=Rf/R(Uo2-Uo1) ;

对于共模成分电压而言：

Ui2=Ui1=Uic(共模电压)，此时i=0，Uo2=Uo1=Uic ，即共模电压没有被放大，而是直接转移到了第一级输出端，这就降低了对第二级运放A3的共模抑制比要求。

若A1、A2选用相同特性的运放，则它们的共模输出电压和漂移电压都相等，再通过第二级差分电路，就可以相互抵消。电阻R1、R2、Rf和R应使用低温漂精密电阻。

这种三运放构成的差分放大电路，已有多种型号的集成芯片，如INA102、INA848,一般称之为仪表放大器，用它们对微弱信号进行处理，更加简洁、精准、方便，当产品对成本无苛刻要求时，应优先选用。

什么是差分放大电路？差分放大电路接法大全

什么是差分放大电路

差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。差分放大电路：按输入输出方式分：有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出四种类型。按共模负反馈的形式分：有典型电路和射极带恒流源的电路两种。

（a）射极偏置差放（b）电流源偏置差放

差放有两个输入端子和两个输出端子，因此信号的输入和输出均有双端和单端两种方式。双端输入时，信号同时加到两输入端；单端输入时，信号加到一个输入端与地之间，另一个输入端接地。双端输出时，信号取于两输出端之间；单端输出时，信号取于一个输出端到地之间。因此，差分放大电路有双端输入双端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出四种应用方式。上面两个电路均为双端输入双端输出方式。

（a）电阻Re是T1和T2两管的公共射极电阻，或称射极耦合电阻，它实际上就是在工作点稳定电路中植入的射极电阻，只是此处将两个电阻的射极电阻合并成一个Re，所以经它的作用是稳定静态工作点，对零漂做进一步的抑制。电阻Re常用等效内阻极大的恒流源I0来代替，以便更有效地提高抑制零漂的作用。负电源-

用来补偿射极电阻Re两端的直流压降，以避免采用电压过高的单一正电源+

，并可扩大输出电压范围，使两基极的静态电位为零，基极电阻Rb通常为外接元件，也可不用，其作用是限制基极静态电流并提高输入电阻。

差分放大器工作状态

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。

差分放大电路的接法大全

1、双端输入单端输出电路

电路如右图所示，为双端输入、单端输出差分放大电路。由于电路参数不对称，影响了静态工作点和动态参数。

直流分析：

画出其直流通路如右下图所示，图中和是利用戴维宁定理进行变换得出的等效电源和电阻，其表达式分别为：

交流分析：

在差模信号作用时，负载电阻仅取得T1管集电极电位的变化量，所以与双端输出电路相比，其差模放大倍数的数值减小。

如右下图所示为差模信号的等效电路。在差模信号作用时，由于T1管与T2管中电流大小相等方向相反，所以发射极相当于接地。

输出电压

一半。如果输入差模信号极性不变，而输出信号取自T2管的集电极，则输出与输入同相。当输入共模信号时，由于两边电路的输入信号大小相等极性相同。与输出电压相关的T1管一边电路对共模信号的等效电路如下

共模抑制比

结论：Re愈大，Ac的值愈小，Kcmr愈大，电路的性能愈好。

2、单端输入、双端输出电路

如下图（a）所示为单端输入、双端输出电路。电路对于差模信号是通过发射极相连的方式将T，管的发射极电流传递到T，管的发射极的，故称这种电路为射极耦合电路。

如图（b）所示将输入信号进行等效变换，可看出，两输入端分别输入了差模信号和共模信号。

可见，单端输入电路与双端输入电路的区别在于：差模信号输入的同时，伴随着共模信号输入。

输出电压

静态工作点以及动态参数的分析完全与双端输入、双端输出相同。

3、单端输入、单端输出电路

如右图所示为单端输入、单端输出电路，该电路对静态工作点、差模增益、共模增益、输入与输出电阻的分析与单端输出电路相同。对输入信号的作用分析与单端输入电路相同。

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