一、基本概念

差分放大電路，又稱為差動放大電路，是將兩個輸入信號進行差運算，然后將差值放大輸出的電路。這種電路在模擬電子電路中廣泛應用，特別是在需要抑制共模噪聲和放大微弱信號的場景中。

二、工作原理

1. 差分信號與共模信號 ：
   • 差分信號 ：指兩個輸入信號之間的差值。在差分放大電路中，我們關注的是這個差值，因為它代表了實際有用的信號。
   • 共模信號 ：指同時作用于兩個輸入端且幅度和相位都相同的信號。這種信號通常是由電源噪聲、接地回路干擾等引起的，是不希望被放大的部分。
2. 信號輸入 ：
   • 輸入信號V1和V2通過R1和R2分壓器網絡輸入到運放的正、負輸入端。這兩個信號可以是任意波形，但差分放大電路主要關注它們的差值。
3. 信號放大 ：
   • 運放（運算放大器）是差分放大電路的核心部件，它負責放大差分信號。由于運放的開環增益極大，因此可以放大微小的電壓差異。
   • 當兩個輸入信號的差值不為零時，運放會輸出一個放大了的差分信號。這個輸出信號是差分信號經過放大得到的，而共模信號則被有效抑制。
4. 共模抑制 ：
   • 由于差分放大電路的對稱性，它對共模信號有很強的抑制作用。理想情況下，共模輸出為零，即共模信號不會被放大。
   • 這使得差分放大電路在抑制電源噪聲、接地回路干擾等方面具有顯著優勢。
5. 反饋機制 ：
   • 差分放大電路通常采用負反饋機制來降低電路的放大倍數和避免信號失真。負反饋電路將放大電路的輸出信號通過反饋網絡反饋回輸入端，從而抑制噪聲和減小失真。

三、應用領域

差分放大電路在模擬電路、功率放大器、電源調節器、傳感器放大器、過壓保護等領域有著廣泛的應用。特別是在需要高精度、高信噪比和低噪聲的應用場景中，差分放大電路更是不可或缺。

運放組成的差分放大電路

來自傳感器的信號往往很微弱，需要運放進行放大，以便后續的數字化處理。圖一為基本差分放大電路，它是反相輸入和同相輸入相結合的電路，當電阻值滿足：Rf/R1=R3/R2=K時,

Uo=K(Ui2-Ui1) ,K為差動放大倍數，圖一的K=10 ;

由于有同相端的電阻分壓網絡和反相端的負反饋網絡的存在，使得該電路的輸入電阻不夠大，如信號源的內阻比較大或是變化的，將會使輸出信號產生較大的誤差，換而言之，這種差分電路只能配低內阻信號源；同時該電路要求Rf/R1精確等于R3/R2，否則差分輸入和輸出之間將不是正比例線性函數關系，會同時放大共模信號，共模抑制比就會急劇下降，換句話說，該電路所用的電阻必須是低溫漂的高精度電阻。

圖一 基本差分放大器

為解決圖一電路無法處理高內阻傳感器信號的問題，可在差放電路的兩個輸入端各加一個電壓跟隨器進行緩沖隔離，如圖二所示。電壓跟隨器輸入電阻極高，可認為斷路，不取用傳感器電流，不影響傳感器信號的大小；跟隨器的輸出此時是差放電路的信號源，其輸出電阻很低，可忽略其存在，就能滿足該電路對低內阻信號源的要求。

圖二 帶緩沖器的基本差分放大電路

圖一所示的基本差分放大電路，其外接的四個電阻需要嚴格挑選，精確度要求很高，不易滿足。一般選用將四個電阻集成在芯片內部的差分放大器。光刻芯片時，利用激光微調技術，可將四個電阻校準到極高的精度。INA143就是集成的基本差分放大器芯片，其內部結構及示例如圖三所示。

圖三 集成差分放大器構成的電路

二、圖四是同相比例電路，平衡電阻R2=R1//Rf ,由I+ =0,知Up=Ui ;在深度負反饋條件下，Un=Up=Ui，即輸入電位轉移到了N點，使得Un=Ui ；易推導出Uo=(1+Rf/R1)Ui ,當斷開R1(即R1=無窮大)時，Uo=Ui，輸出跟隨輸入，得到圖五所示的電壓跟隨器電路。現根據前面提及的電路，說明圖六所示三運放構成的差分放大電路。

圖四 同相比例放大電路

圖五 電壓跟隨器

圖六 三運放差分放大電路

圖六所示的三運放差分放大電路由兩級差動放大電路組成，A1、A2構成第一級差放電路，是兩個同相比例電路的組合。由于引入了深度電壓串聯負反饋電路，使輸入電阻大大增加，可視為斷路，又使輸出電阻大大減小，可視為零，為第二級基本差放電路創造了優良的工作條件；A3構成了第二級差放電路。

四、總結

差分運放放大電路通過放大差分信號并抑制共模信號來實現信號的有效放大和噪聲的抑制。其工作原理基于差分信號的放大和共模信號的抑制以及反饋機制的應用。這種電路在模擬電子電路中占據重要地位，并在多個領域得到廣泛應用。
差分運放放大電路在模擬信號處理、通信系統、測量儀器等領域有著廣泛的應用。特別是在需要高精度、高信噪比和低噪聲的應用場景中，如音頻放大器、傳感器放大器、過壓保護電路等，差分運放放大電路更是不可或缺。

綜上所述，差分運放放大電路通過差分信號放大和共模信號抑制以及反饋機制的應用，實現了對輸入信號的有效放大和噪聲的抑制。其獨特的電路結構和優異的性能特性使得它在模擬電子電路中占據重要地位，并在多個領域得到廣泛應用。