運算放大器最初是為模擬數(shù)學(xué)計算而開發(fā)的，從那時起，它們已被證明在許多設(shè)計應(yīng)用中是有用的。正如我的教授所說，運算放大器是算術(shù)電壓計算器，它們可以使用求和放大器電路對兩個給定電壓值進(jìn)行加法運算，并使用差分放大器對兩個電壓值進(jìn)行差分運算。除此之外，運算放大器也通常用作反相放大器和非反相放大器。

我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了如何使用運算放大器作為電壓加法器或求和放大器，因此在本教程中，我們將學(xué)習(xí)如何使用運算放大器作為差分放大器來查找兩個電壓值之間的電壓差。它也被稱為電壓減速器。我們還將在面包板上嘗試電壓減法器電路，并檢查電路是否按預(yù)期工作。

運算放大器基礎(chǔ)

在我們深入研究差分運算放大器之前，讓我們快速瀏覽運算放大器的基礎(chǔ)知識。運算放大器是一個五端設(shè)備(單封裝)，有兩個端子(Vs+, Vs-)為設(shè)備供電。在其余三個端子中，兩個(V+, V-)用于稱為反相和非反相端子的信號，其余一個(Vout)是輸出端子。運算放大器的基本符號如下所示。

運算放大器的工作非常簡單，它從兩個引腳(V+, V-)接收不同的電壓，通過增益值將其放大并將其作為輸出電壓(Vout)。運算放大器的增益可以非常高，使其適合音頻應(yīng)用。始終記住，運算放大器的輸入電壓應(yīng)小于其工作電壓。要了解更多關(guān)于運算放大器的知識，請查看其在各種基于運算放大器的電路中的應(yīng)用。

對于理想運算放大器，輸入阻抗將非常高，即沒有電流通過輸入引腳(V+, V-)流入或流出運算放大器。為了理解運放的工作原理，我們可以將運放電路大致分為開環(huán)和閉環(huán)。

運算放大器開環(huán)電路(比較器)

在開環(huán)運放電路中，輸出引腳(Vout)不與任何輸入引腳連接，即不提供反饋。在這種開環(huán)條件下，運算放大器起比較器的作用。一個簡單的運算放大器比較器如下所示。請注意，Vout引腳沒有與輸入引腳V1或V2連接。

在這種情況下，如果提供給V1的電壓大于V2，輸出Vout將變高。同樣，如果提供給V2的電壓大于V1，則輸出Vout將變低。

運算放大器閉環(huán)電路(放大器)

在閉環(huán)運放電路中，運放的輸出引腳與任意一個輸入引腳連接以提供反饋。這種反饋被稱為閉環(huán)連接。在閉環(huán)期間，運算放大器作為放大器工作，在此模式下，運算放大器發(fā)現(xiàn)許多有用的應(yīng)用，如緩沖器，電壓跟隨器，反相放大器，非反相放大器，求和放大器，差分放大器，電壓減法器等。如果Vout引腳連接到反相終端，那么它被稱為負(fù)反饋電路(如下所示)，如果它連接到非反相終端，它被稱為正反饋電路。

差分放大器或電壓減速器

現(xiàn)在讓我們進(jìn)入我們的主題，差分放大器。差分放大器基本上是接收兩個電壓值，找出這兩個值之間的差值并放大它。由此產(chǎn)生的電壓可以從輸出引腳獲得。一個基本的差分放大電路如下所示。

但是等等!在默認(rèn)情況下，即使沒有反饋，運算放大器也不就是這樣做的嗎?它接受兩個輸入，并在輸出引腳上提供它們的差異。那我們?yōu)槭裁葱枰@么多漂亮的電阻呢?

是的，但是運放在開環(huán)(無反饋)中使用時將具有非常高的不受控制增益，這實際上是無用的。因此，我們使用上述設(shè)計在負(fù)反饋回路中使用電阻來設(shè)置增益值。在我們上面的電路中，電阻R3充當(dāng)負(fù)反饋電阻，電阻R2和R4形成電位分壓器。增益的值可以通過使用合適的電阻值來設(shè)定。

如何設(shè)置差分放大器的增益?

上述差分放大器的輸出電壓可由下式給出

利用疊加定理，由上述電路的傳遞函數(shù)得到上述公式。但我們還是不要太深入了?？紤]R1=R2, R3=R4，可以進(jìn)一步簡化上述方程。所以我們會得到

從上面的公式我們可以得出結(jié)論，R3和R1之間的比率將等于放大器的增益。

現(xiàn)在，讓我們替換上述電路的電阻器值，并檢查電路是否按預(yù)期工作。

差分放大電路的仿真

我選擇的電阻值是R1和R2的10k， R3和R4的22k。電路仿真如下圖所示。

為了模擬，我為V2提供了4V， V1提供了3.6V。根據(jù)公式，電阻22k和10k將設(shè)置增益為2.2(22/10)。因此，減法將為0.4V(4-3.6)，并將其與增益值2.2相乘，因此所得電壓將為0.88V，如上述仿真所示。我們用之前討論過的公式來驗證一下。

在硬件上測試差分放大電路

現(xiàn)在進(jìn)入有趣的部分，讓我們在面包板上構(gòu)建相同的電路，并檢查我們是否能夠獲得相同的結(jié)果。我使用LM324運算放大器來構(gòu)建電路，并使用我們之前構(gòu)建的面包板電源模塊。該模塊可以提供5V和3.3V輸出，因此我使用5V電源軌為運放供電，3.3V電源軌作為V1。然后我使用我的RPS(穩(wěn)壓電源)為引腳V2提供3.7V。電壓之間的差是0.4，我們有2.2的增益，這應(yīng)該給我們0.88V，這正是我得到的。下圖顯示了設(shè)置和讀數(shù)為0.88V的萬用表。

這證明了我們對差分運算放大器的理解是正確的，現(xiàn)在我們知道如何自己設(shè)計一個具有所需增益值的差分運算放大器。這些電路更常用于音量控制應(yīng)用。

但是，由于電路在輸入電壓側(cè)(V1和V2)有電阻，因此它不能提供非常高的輸入阻抗，并且還具有高共模增益，從而導(dǎo)致低CMRR比。為了克服這些缺點，有一個臨時版本的差分放大器稱為儀表放大器，但讓我們把它留給另一個教程。

本文編譯自circuitdigest