真的通俗易懂!差分信号电路的解读

目录

一、什么是差分运放电路

二、差分运放电路的工作状态


一、什么是差分运放电路

差分电路是具有对共模信号抑制,对差模信号放大特征的电路。该电路的两个信号输信号的差值是该电路的有效值。将这两信号输入只差进行放大后输出。如果存在干扰信号,会对两个输入信号产生相同的干扰,通过二者之差,干扰信号的有效输入为零,这就达到了抗共模干扰的目的。对于运算放大电路来说,运放工作在线性区,所以电路一定是负反馈电路。

运放的基本分析方法就是虚短和虚断,同样对差分电路使用虚短和虚断分析。

虚短:在理想情况下,两个输入端的电位相等,就好像两个输入端短接在一起,但事实上并没有短接,称为“虚短”。

虚断:在理想情况下,流入集成运算放大器输入端电流为零。即运放输入电阻无穷大,就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开路,称为“虚断”。

则有:

联立可得:

若R1=R2,R3=R4,则有:

差分运放电路具有输入阻抗极大(理想情况下为无穷大),一般为兆欧级、输出阻抗小、抑制共模信号的特点。也正因其具有抑制共模信号的特点,所以差分运放电路经常被用于高精度的仪表放大中。

差分放大电路的共模抑制比是一个非常重要的指标,它反映了电路对共模信号的抑制能力。为了保证良好的共模抑制比,需要注意保证输入端的对称性,即两个输入信号的幅度和相位都应该相同。要避免输出端的共模反馈,这可以通过在输出端增加电容形成RC滤波来达到。也要注意电源噪声对电路性能造成的影响,因此也可在电源输入端加入电容滤波。

二、差分运放电路的工作状态

接下来咱们来看看三种不同工作状态下的差分运放电路有什么特点。

当VP=VN时:

由于虚短,同相输入端为高阻态,其输入电压值仅仅取决于R2、R3分压值;

由于虚断,可知其反相输入端,即R1、R4串联分压电路。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。

由R1=R2,R3=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。

当VP>VN时:

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。

由R3、R4的阻值比例可知,R3两端电压降为(V+-VN),其中V+的电压为VP在R2,R3的分压电压,则R4两端电压降为4*(V+-VN),输出端电压为V+-VN+4*(V+-VN)。

显然,该差分放大器的差分电压放大倍数=R4/R1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(VP-VN)×R4/R1=Vout。

当VP<VN时:

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R2、R4偏置电路中的电流方向如红色粗线。同样,依R2、R4的阻值比例可推知,在此输入条件下,输出端电压为-[V+-VN+4*(V+-VN)],电路依然将输入差分信号放大了4倍。

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