差分运算放大电路

差分放大器的作用是放大其正相和反相输入端存在的电压差，是一种电压减法电路，产生的输出电压与施加到运算放大器正相和反相端子输入端的两个输入信号的电压差成正比。

差分运算放大电路原理分析

如上图所示，由运放工作在线性放大状态依据“虚短”和“虚断”，有

I1 = (V1 - VA)/R1

I2 = (V2 - VB)/R2

If = (VA - Vout)/Rf

VA = VB，

又

VB = V2*[R3/(R2+R3)]

现在依次将输入信号接地，算出每个输入信号对应的输出Vout

假设V2 = 0，则V1对应的输出Vout1

Vout1 = -V1(Rf/R1)

假设V1 = 0，则V2对应的输出Vout2

Vout2 = V2*[R3/(R2+R3) * (R1 + Rf)/R1]

最后将两个输出进行叠加，得到最终输出结果Vout

Vout = Vout1 + Vout2，得最终的传递函数

Vout = -V1(Rf/R1) + V2*[R3/(R2+R3) * (R1 + Rf)/R1]

当R1=R2且Rf=R3时，上面的差分传递函数可以简化为下面的样式

Vout = Rf/R1(V2-V1)

差分运算放大电路仿真

总结：

1.如果输入V1高于输入V2，则输出电压总和将为负，如果V2高于V1，则输出电压总和将为正。

2.当R1=R2=R3=Rf时，差分放大器变成了一个单位增益差分放大器(放大倍数为1)，即输出表达式将只是Vout = V₂  – V_1。

光控差分运算放大器

图中R5是一个敏感电阻元件，如光敏单租，充当光激活开关，当光敏元件R5检测到的光水平超过或低于某个预设值时，它会将输出继电器“打开”或“关闭”。固定参考电压通过R1 – R2分压器网络应用于运算放大器的同相输入端。

V_A处的电压值通过反馈电位器设置运算放大器跳变点，R7用于设置开关滞后。即“开”的光级和“关”的光级之间的差异。

R5可以是任何标准类型的光敏电阻器件，电阻随着光照强度的增加而下降，因此VB处的电压水平也会在开关点上方或下方变化，开关点可由Rvar的位置确定。

然后用电位器Rvar调整光级跳闸或设定位置，用电位器R7调整开关迟滞，即可制成精密光敏开关。根据应用的不同，运算放大器的输出可以直接切换负载，或使用晶体管开关来控制继电器或灯本身。

通过用热敏电阻代替光敏电阻，也可以使用这种简单的电路配置来检测温度。通过互换Rvar和LDR的位置，该电路可用于使用热敏电阻检测亮或暗、热或冷。

此类放大器设计的一个主要缺点是其输入阻抗低于其他单端输入的运算放大器结构。

每个输入电压源都必须通过输入电阻驱动电流，该输入电阻的总阻抗低于单独的运算放大器输入的阻抗。这高阻抗源不是特别有利。

克服这个问题的一种方法是为每个输入电阻添加一个单位增益缓冲放大器，例如前面讲的电压跟随器。电压跟随器可以为电路提供一个具有非常高输入阻抗和低输出阻抗的差分放大器电路，因为它由两个同相缓冲器和一个差分放大器组成。这是大多数“仪表放大器”的基础结构。

仪表放大器

仪表放大器是增益非常高的差分放大器，具有高输入阻抗。仪表放大器主要用于放大电机控制系统中来自应变计、热电偶或电流传感装置的非常小的差分信号。

标准运算放大器的闭环增益由连接在其输出端子和一个输入端子之间的外部电阻反馈决定，无论是正还是负，“仪表放大器”有一个内部反馈电阻器，它与其输入端子有效隔离因为输入信号应用于两个差分输入V1和V2。

仪表放大器还具有非常好的共模抑制比，CMRR（当V₁= V₂时为零输出）在直流时超过100dB。下面给出了具有高输入阻抗 ( Zin)的三运算放大器仪表放大器的示例 ：

仪表运算放大器的传输方程

Vout = (Vin2 - Vin1) * (1+ 2R2/R1) * (R4/R3)

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