差分运算放大器原理

攥撇器传　ＡＤＡ４９２７：差分放大器　ＡＤＩ推出高速差分放大器ＡＤＡ４９２７，为工程师提供了　高性能、低噪声和低功耗的组合，适合于驱动功耗敏感的通　信和仪器仪表系统　中的高增益模数转　换器。ＡＤＡ４９２７差　分放大器增益为１Ｏ　时的无杂散动态范　围（ＳＦＤＲ）大于８０　ｄＢ，其电流反馈架　构允许它在从直流　到大于１００　ＭＨｚ的　输入带宽范围内保持性能。　ＡＤＡ４９２７可以使用单端一差分和差分一差分配置，并专为　驱动目前的高性能１４ｂｉｔ和１６ｂｉｔ转换器而优化。ＡＤＡ４９２７　特别适合无线通信应用，以及使用低中频（ＩＦ）和基带信号在　高达１００　ＭＨｚ的频率下进行处理，并需要１４ｂｉｔ和１６ｂｉｔ精度　的医疗设备和国防电子设备。双通道版本的ＡＤＡ４９２７—２非　常适合于驱动正交（Ｉ／Ｑ）解调方案中使用的双通道ＡＤＣ，它　在１００　ＭＨｚ频率下可提供一８０　ｄＢ的低串扰，同时保证增益　和相位匹配。　ＡＤＡ４９２７的内部共模反馈环路允许用户独立调整输　出共模电平，与ＡＤＣ的输入共模电压相匹配，同时实现杰　出的输出平衡和偶次谐波抑制。隧蕊嚣豳　Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ｗｗｗ．ｏｎａｌｏｇ．ｃｏｍ　ＬＴＣ２２６１：１４位１２５Ｍｓｐｓ　ＡＤＣ　Ｌｉｎｅａｒ推出低功耗１４位、１２５Ｍｓｐｓ　ＡＤＣ，该器件仅消耗　１２７ｍＷ。高速ＡＤＣ传统上是大功耗器件，通常更高的采样　率将消耗更多功耗。在使用多个ＡＤＣ测量很多输入通道的　系统中，或装在较高温度可能降低ＡＤＣ性能的小型便携式　机箱中时，热耗散则成为更严重的问题。无论工作于全速模　式还是睡眠模式（旨在把功耗降到低至Ｏ．５ｒｏＷ），ＬＴＣ２２６１均　显著地减少了用于高速数据采集的功耗预算，从而使之能　够“去掉连线”，并使　产品逐步跨入便携式　世界。　ＬＴＣ２２６１用１．８Ｖ　低压模拟电源工作，　在基带提供７３　４ｄＢ的　信噪比（ＳＮＲ）性能和　８５ｄＢ的无寄生动态　范围。Ｏ．１７ｐｓ　ＲＭＳ的　月度　

差分接法:差分放大电路（图3.8a.4）的输入信号是从集成运放的反相和同相输入端引入，如果反馈电阻RF等于输入端电阻R1 ，输出电压为同相输入电压减反相输入电压，这种电路也称作减法电路。

图3.8a.4 差分放大电路

差分放大器

如图所示，通过采用两个输入，该差分放大器产生的输出等于U1和U2之差乘以增益系数 运算放大器的单电源供电方法

大部分运算放大器要求双电源(正负电源)供电，只有少部分运算放大器可以在单电源供电状态下工作，如LM358(双运放)、LM324(四运放)、CA3140(单运放)等。需要说明的是，单电源供电的运算放大器不仅可以在单电源条件下工作，也可在双电源供电状态下工作。例如，LM324可以在、+5～+12V单电源供电状态下工作，也可以在+5～±12V双电源供电状态下工作。

在一些交流信号放大电路中，也可以采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，采用单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容，利用单电源供电的反相放大器如图1(a)所示，其运放输出波形如图1(b)所示。

该电路的增益Avf＝－RF／R1。R2＝R3时，静态直流电压Vo(DC)＝1／2Vcc。耦合电容Cl和C2的值由所需的低频响应和电路的输入阻抗(对于C1)或负载(对于C2)来确定。Cl及C2可由下式来确定：C1＝1000／2πfoRl(μF)；C2＝1000／2πfoRL(μF)，式中，fo是所要求最低输入频率。若R1、RL单位用kΩ，fO用Hz，则求得的C1、C2单位为μF。一般来说，R2＝R3≈2RF。

图2是一种单电源加法运算放大器。该电路输出电压Vo＝一RF(V1／Rl十V2／R2十V3／R3)，若R1＝R2＝R3＝RF，则Vo＝一(V1十V2十V3)。需要说明的是,采用单电源供电是要付出一定代价的。它是个甲类放大器，在无信号输入时，损耗较大。

思考题 (1)图3是一种增益为10、输入阻抗为10kΩ、低频响应近似为30Hz、驱动负载为1kΩ的单电源反相放大器电路。该电路的不失真输入电压的峰—峰值是多少呢?(提示：一般运算放大器的典型输入、输出特性如图4所示)；(2)图5是单电源差分放大器。若输入电压为50Hz交流电压，V1＝1V，V2＝O．4V，它的输出电压该是多少呢？

差分放大器的工作原理

差分放大器也叫差动放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，有时简称为“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器（简称“功放”）和发射极耦合逻辑电路 (ECL, Emitter Coupled Logic) 的输入级。

如果Q1 Q2的特性很相似，则Va,Vb将同样变化。例如，Va变化+1V，Vb也变化+1V，因为输出电压VOUT=Va-Vb=0V,即Va的变化与Vb的变化相互抵消。这就是差动放大器可以作直流信号放大的原因。 若差放的两个输入为，则它的输出Vout为：

其中Ad是差模增益 (differential-mode gain)，Ac是共模增益 (common-mode gain)。

因此为了提高信/噪比，应提高差动放大倍数，降低共模放大倍数。二者之比称做共模仰制比（CMRR, common-mode

rejection ratio）。共模放大倍数AC可用下式求出：

Ac=2Rl/2Re

通常以差模增益和共模增益的比值共模抑制比 (CMRR, common-mode rejection ratio) 衡量差分放大器消除共模信号的能力：

由上式可知，当共模增益Ac→0时，CMRR→∞。Re越大，Ac就越低，因此共模抑制比也就越大。因此对于完全对称的差分放大器来说，其Ac = 0，故输出电压可以表示为：

所谓共模放大倍数，就是Va，Vb输入相同信号时的放大倍数。如果共模放大倍数为0，则输入噪声对输出没有影响。

要减小共模放大倍数，加大RE就行通常使用内阻大的恒流电路来带替RE 差分放大器是普通的单端输入放大器的一种推广，只要将差放的一个输入端接地，即可得到单端输入的放大器。很多系统在差分放大器的一个输入端输入反馈信号，另一个输入端输入反馈信号，从而实现负反馈。常用于电机或者伺服电机控制，稳压电源，测量仪器以及信号放大。在离散电子学中，实现差分放大器的一个常用手段是差动放大，见于多数运算放大器集成电路中的差分电路。

图3.8a.4 差分放大电路

差分放大器

如图所示，通过采用两个输入，该差分放大器产生的输出等于U1和U2之差乘以增益系数

运算放大器的单电源供电方法

大部分运算放大器要求双电源(正负电源)供电，只有少部分运算放大器可以在单电源供电状态下工作，如LM358(双运放)、LM324(四运放)、CA3140(单运放)等。需要说明的是，单电源供电的运算放大器不仅可以在单电源条件下工作，也可在双电源供电状态下工作。例如，LM324可以在、+5～+12V单电源供电状态下工作，也可以在+5～±12V双电源供电状态下工作。

在一些交流信号放大电路中，也可以采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，采用单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容，利用单电源供电的反相放大器如图1(a)所示，其运放输出波形如图1(b)所示。

该电路的增益Avf＝－RF／R1。R2＝R3时，静态直流电压Vo(DC)＝1／2Vcc。耦合电容Cl和C2的值由所需的低频响应和电路的输入阻抗(对于C1)或负载(对于C2)来确定。Cl及C2可由下式来确定：C1＝1000／2πfoRl(μF)；C2＝1000／2πfoRL(μF)，式中，fo是所要求最低输入频率。若R1、RL单位用kΩ，fO用Hz，则求得的C1、C2单位为μF。一般来说，R2＝R3≈2RF。

图2是一种单电源加法运算放大器。该电路输出电压Vo＝一RF(V1／Rl十V2／R2十V3／R3)，若R1＝R2＝R3＝RF，则Vo＝一(V1十V2十V3)。需要说明的是,采用单电源供电是要付出一定代价的。它是个甲类放大器，在无信号输入时，损耗较大。

思考题 (1)图3是一种增益为10、输入阻抗为10kΩ、低频响应近似为30Hz、驱动负载为1kΩ的单电源反相放大器电路。该电路的不失真输入电压的峰—峰值是多少呢?(提示：一般运算放大器的典型输入、输出特性如图4所示)；(2)图5是单电源差分放大器。若输入电压为50Hz交流电压，V1＝1V，V2＝O．4V，它的输出电压该是多少呢？