從原理到計(jì)算到設(shè)計(jì)，1200字手把手教你學(xué)會(huì)用運(yùn)放搭建差分放大電路

Part 01

前言

電路中的噪聲有兩大類，一種是差模噪聲，一種是共模噪聲。差分放大電路在電路設(shè)計(jì)中非常重要，它能夠有效放大兩個(gè)輸入信號差，提取并放大我們需要的信號，同時(shí)可以有效抑制共模噪聲。

四電阻差分放大器是一種常見的差分放大器電路拓?fù)渑渲?，通常由四個(gè)電阻和一個(gè)運(yùn)算放大器組成。這種電路能有效地放大兩個(gè)輸入信號之間的差異，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的共模抑制比。

Part 02

差分放大電路輸出電壓推導(dǎo)

我們就以下面的差分放大電路為例詳細(xì)推導(dǎo)一下差分放大電路的輸出電壓傳遞函數(shù)。

電源配置：Vin1和Vin2為兩個(gè)正弦波，幅值分別為1V和2V，頻率均為1Khz，Vref為參考電壓源，用于為輸出電壓設(shè)置偏置電壓，在雙電源供電電路中，我們可以對參考電壓進(jìn)行接地處理，當(dāng)單電源供電時(shí)，為了避免輸出電壓過低，我們可以通過設(shè)置參考電壓，來對輸出電壓進(jìn)行偏置。

過程推導(dǎo)： 我們在推導(dǎo)運(yùn)放電路的輸出電壓時(shí)，最常用的三條原理分別是：

疊加定理：首先識別電路中的所有獨(dú)立電壓源和電流源。逐一考慮單個(gè)電源對電路輸出的影響，并把其他電源按如下原則處理（電壓源短路或電流源開路）。最后把每個(gè)電源對輸出的響應(yīng)相加，得到電路的總響應(yīng)。

虛短

虛斷

步驟1： 我們搭建的差分放大電路中有三個(gè)電源，Vin1，Vin2，Vref，基于疊加定理，首先考慮Vin1對輸出的影響（Vin2，Vref對地短路），此時(shí)電路等效為反相放大電路： Vo1=-Vin1*R3/R1 步驟2： 接著我們考慮Vin2對輸出的影響（Vin1，Vref對地短路）,此時(shí)電路等效為同相放大電路： Vo2=Vin2*(R4/(R2+R4))*(1+R3/R1) 步驟3：

最后我們考慮Vref對輸出的影響（Vin1，Vin2對地短路）,此時(shí)電路仍舊等效為同相放大電路：

Vo3=Vref*(R2/(R2+R4))*(1+R3/R1) 所以最終的輸出Vout=Vo1+Vo2+Vo3 Vout=-Vin1*R3/R1+Vin2*(R4/(R2+R4))*(1+R3/R1)+Vref*(R2/(R2+R4))*(1+R3/R1) 如果R1=R2，R3=R4，那么Vout就可以簡化成： Vout=(Vin2-Vin1)*R3/R1+Vref 增益G=R3/R1 為了計(jì)算方便我們在設(shè)計(jì)差分電路的時(shí)候一般都按R1=R2，R3=R4去設(shè)計(jì)電路。

Part 03

計(jì)算

基于上面的的公式推導(dǎo)，我們可以計(jì)算出設(shè)計(jì)電路的參數(shù)： 1.增益G G=R3/R1=2K/1K=2，下面是仿真結(jié)果

2.帶寬仿真

Part 04

注意事項(xiàng)

1.實(shí)際的信號源Vin1，Vin2都是有內(nèi)阻的，既然有內(nèi)阻，在計(jì)算Vout時(shí)，這些內(nèi)阻也是需要參與計(jì)算的，為了降低這些內(nèi)阻對Vout的影響，電阻R1以及電阻R2需要遠(yuǎn)大于信號源的內(nèi)阻才行，比如至少100倍。 2.確保運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)，運(yùn)算放大器的輸入電壓不能超過運(yùn)放的共模輸入電壓范圍。

3.使用R1，R2，R3，R4電阻值太大（比如MΩ級）會(huì)降低電路的相位裕度并在電路中引入額外的噪聲，如果避免不了使用較大的電阻值，那么可以在R3，R4上并聯(lián)一個(gè)電容，提高電路的穩(wěn)定性。 4.運(yùn)放的輸出端不要直接接電容，即使你是為了濾波，可以先串聯(lián)電阻，再接電容，不然會(huì)影響電路的穩(wěn)定性。