差分放大器工作原理和基本电路形式

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Q1\Q2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。