如何將運(yùn)算放大器用作差分放大器查找電壓值的電壓差

運(yùn)算放大器最初是為模擬數(shù)學(xué)計(jì)算而開(kāi)發(fā)的，從那時(shí)起，它們已被證明在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中都很有用。正如我的教授所說(shuō)的那樣，運(yùn)算放大器是算術(shù)電壓計(jì)算器，它們可以使用求和放大器電路執(zhí)行兩個(gè)給定電壓值的加法，并使用差分放大器執(zhí)行兩個(gè)電壓值之間的差。除此之外，運(yùn)算放大器還通常用作反相放大器和同相放大器。

在本教程中，我們將學(xué)習(xí)如何將運(yùn)算放大器用作差分放大器來(lái)查找兩個(gè)電壓值之間的電壓差。它也被稱(chēng)為電壓減法器。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(yùn)算放大器的基礎(chǔ)知識(shí)

在我們深入了解差分運(yùn)算放大器之前，讓我們快速了解一下運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)知識(shí)。運(yùn)算放大器是一個(gè)五端子器件（單封裝），帶有兩個(gè)端子（Vs+、Vs-），用于為器件供電。在其余三個(gè)端子中，兩個(gè)（V+、V-）用于信號(hào)，稱(chēng)為反相和同相端子，其余一個(gè)（Vout）是輸出端子。運(yùn)算放大器的基本符號(hào)如下所示。

運(yùn)算放大器的工作非常簡(jiǎn)單，它從兩個(gè)引腳（V+、V-）接收不同的電壓，將其放大增益值并將其作為輸出電壓（Vout）。運(yùn)算放大器的增益可能非常高，因此適用于音頻應(yīng)用。永遠(yuǎn)記住，運(yùn)算放大器的輸入電壓應(yīng)低于其工作電壓。要了解有關(guān)運(yùn)算放大器的更多信息，請(qǐng)查看其在各種基于運(yùn)算放大器的電路中的應(yīng)用。

對(duì)于理想運(yùn)算放大器，輸入阻抗將非常高，即沒(méi)有電流通過(guò)輸入引腳（V+、V-）流入或流出運(yùn)算放大器。要了解運(yùn)算放大器的工作原理，我們可以將運(yùn)算放大器電路大致分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。

運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)電路（比較器）

在開(kāi)環(huán)運(yùn)算放大器電路中，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(kāi)環(huán)條件下，運(yùn)算放大器用作比較器。一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器比較器如下所示。請(qǐng)注意，Vout 引腳未與輸入引腳 V1 或 V2 連接。

在這種情況下，如果提供給 V1 的電壓大于 V2，則輸出 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(yùn)算放大器閉環(huán)電路（放大器）

在閉環(huán)運(yùn)算放大器電路中，運(yùn)算放大器的輸出引腳與任一輸入引腳連接以提供反饋。這種反饋稱(chēng)為閉環(huán)連接。在閉環(huán)期間，運(yùn)算放大器用作放大器，在此模式下，運(yùn)算放大器可以找到許多有用的應(yīng)用，例如緩沖器、電壓跟隨器、反相放大器、同相放大器、求和放大器、差分放大器、電壓減法器等。如果Vout 引腳連接到反相端子，則稱(chēng)為負(fù)反饋電路（如下所示），如果連接到非反相端子，則稱(chēng)為正反饋電路。

差分放大器或電壓減法器

現(xiàn)在讓我們進(jìn)入我們的主題，差分放大器。差分放大器基本上接收兩個(gè)電壓值，找到這兩個(gè)值之間的差異并將其放大。產(chǎn)生的電壓可以從輸出引腳獲得。一個(gè)基本的差分放大器電路如下所示。

但是等等！這不是運(yùn)算放大器在默認(rèn)情況下所做的，即使它沒(méi)有反饋，它需要兩個(gè)輸入并在輸出引腳上提供它們的差異。那么為什么我們需要所有這些花哨的電阻呢？

是的，但是運(yùn)算放大器在開(kāi)環(huán)（無(wú)反饋）中使用時(shí)將具有非常高的不受控制的增益，這實(shí)際上是沒(méi)有用的。因此，我們使用上述設(shè)計(jì)在負(fù)反饋環(huán)路中使用電阻器來(lái)設(shè)置增益值。在我們上面的電路中，電阻器 R3 充當(dāng)負(fù)反饋電阻器，電阻器 R2 和 R4 形成分壓器。增益值可以通過(guò)使用正確的電阻值來(lái)設(shè)置。

如何設(shè)置差分放大器的增益？

上圖所示差分放大器的輸出電壓可由下式給出

Vout = -V1 （R3/R1） + V2 （R4/（R2+R4））（（R1+R3）/R1）

上式是利用疊加定理從上述電路的傳遞函數(shù)得到的。但是，我們不要過(guò)多討論。通過(guò)考慮 R1=R2 和 R3=R4，我們可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化上述方程。所以我們會(huì)得到

當(dāng) R1=R2 且 R3=R4 時(shí)，Vout = （R3/R1）（V2-V1）

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。

增益 = R3/R1

現(xiàn)在，讓我們用電阻值代替上述電路并檢查電路是否按預(yù)期工作。

差分放大器電路的仿真

我選擇的電阻值為 R1 和 R2 為 10k，R3 和 R4 為 22k。相同的電路模擬如下所示。

出于模擬的目的，我為 V2 提供了 4V，為 V1 提供了 3.6V。根據(jù)公式，電阻器 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），并將乘以增益值 2.2，因此所得電壓將為 0.88V，如上述模擬所示。讓我們也使用我們之前討論過(guò)的公式來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn)。

當(dāng) R1=R2 且 R3=R4 時(shí)，Vout = （R3/R1）（V2-V1）

= （22/10）（4-3.6）

= （2.2） x （0.4）

= 0.88v

在硬件上測(cè)試差分放大器電路

現(xiàn)在到了有趣的部分，讓我們?cè)诿姘迳蠈?shí)際構(gòu)建相同的電路并檢查我們是否能夠獲得相同的結(jié)果。我正在使用LM324 運(yùn)算放大器來(lái)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，所以我使用 5V 電源軌為我的運(yùn)算放大器供電，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。電壓之間的差異是 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)置和萬(wàn)用表，其讀數(shù)為 0.88V。

這證明我們對(duì)差分運(yùn)算放大器的理解是正確的，現(xiàn)在我們知道如何自行設(shè)計(jì)具有所需增益值的運(yùn)算放大器。完整的工作也可以在下面給出的視頻中找到。這些電路更常用于音量控制應(yīng)用。

但是，由于該電路在輸入電壓側(cè)（V1 和 V2）具有電阻，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(diǎn)，存在一種稱(chēng)為儀表放大器的臨時(shí)版本的差分放大器，但讓我們將其留給另一個(gè)教程。