差分放大器或电压减法器电路

运算放大器最初是为模拟数学计算而开发的，从那时起，它们在许多设计应用中都被证明是有用的。正如我的教授正确地说的那样，运算放大器是算术电压计算器，它们可以使用求和放大器电路以及使用差分放大器除此之外，运算放大器也常用作反相放大器和非反相放大器.

 

我们已经学会了如何使用作为电压加法器或求和放大器的运算放大器，所以在本教程中我们将学习如何将运算放大器用作差分放大器以找到两个电压值之间的电压差。它也被称为电压减法器。我们也将尝试电压减法器电路在试验板上，检查电路是否按预期工作。

 

运算放大器的基础知识

在我们深入研究差分运算放大器之前，让我们快速了解运算放大器的基本知识。运算放大器是一种具有两个端子（Vs+、Vs-）的五端子设备（单个封装），用于为设备供电。在剩下的三个端子中，两个（V+，V-）用于被称为反相和非反相端子的信号，剩下的一个（Vout）是输出端子。运算放大器的基本符号如下所示。

 

运算放大器的工作非常简单，它从两个引脚（V+，V-）接收不同的电压，将其放大一个增益值，并将其作为输出电压（Vout）。运算放大器的增益可能非常高，因此适用于音频应用程序请始终记住，运算放大器的输入电压应小于其工作电压。要了解更多关于运算放大器的信息，请查看其在各种应用中的应用基于运算放大器的电路.

 

对于理想运算放大器，输入阻抗将非常高，即没有电流通过输入引脚（V+，V-）流入或流出运算放大器。为了理解运算放大器的工作原理，我们可以对作为开环和闭环的运算放大器电路.

 

运算放大器开环电路（比较器）

在开环运算放大器电路中，输出引脚（Vout）不与任何输入引脚连接，即没有提供反馈在这种开环条件下运算放大器起比较器的作用下面显示了一个简单的运算放大器比较器。请注意，Vout引脚未与输入引脚V1或V2连接。

 

在这种情况下，如果提供给V1的电压大于V2，则输出Vout将变高。同样地，如果提供给V2的电压大于V1，则输出Vout将变低。

 

运算放大器闭环电路（放大器）

在闭环运算放大器电路中，运算放大器的输出引脚和提供反馈这种反馈被称为闭环连接。在闭环过程中运算放大器作为放大器工作，正是在这种模式下，运算放大器发现了许多有用的应用，如缓冲器、电压跟随器、反相放大器、非反相放大器、求和放大器、差分放大器、电压减法器等。如果Vout引脚连接到反相端子，则称为负反馈电路（如下所示），如果连接到非反相端子，称为正反馈电路。

 

差分放大器或电压减法器

现在让我们进入我们的主题，差分放大器。差分放大器基本上取两个电压值，找出这两个值之间的差值并放大。由此产生的电压可以从输出引脚获得。基本差分放大器电路如下所示。

 

但是等等！，这不是运算放大器默认情况下所做的吗？即使它没有反馈，它也会接受两个输入，并在输出引脚上提供它们的差异。那么，为什么我们需要所有这些花哨的电阻器呢？

是的，但运算放大器在开环（无反馈）中使用时会有很高的不受控制的增益，这实际上是没有用处的。因此，我们使用上面的设计来设置增益值，使用负反馈回路在我们上面的电路中，电阻器R3用作负反馈电阻器，并且电阻器R2和R4形成分压器。增益值可以通过使用电阻器的正确值来设置。

 

如何设置差分放大器的增益？

这个差分放大器的输出电压上面显示的可以由下面的公式给出

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

 

上述公式是利用叠加定理从上述电路的传递函数中得出的。但我们对此不多谈。我们可以通过考虑R1＝R2和R3＝R4来进一步简化上述方程。所以我们会得到

Vout=（R3/R1）（V2-V1）当R1＝R2且R3＝R4时

 

根据上面的公式，我们可以得出结论，R3和R1之间的比率将等于放大器的增益。

增益=R3/R1

 

现在，让我们用电阻值代替上述电路，并检查电路是否按预期工作。

 

差分放大器电路的仿真

我选择的电阻值对于R1和R2是10k，对于R3和R4是22k。其电路仿真如下所示。

 

为了进行模拟，我为V2提供了4V，为V1提供了3.6V。根据公式，电阻器22k和10k将设置2.2（22/10）的增益。因此，减法将为0.4V（4-3.6），并将其与增益值2.2相乘，因此所得电压将为0.88V，如上述模拟所示。让我们也使用我们前面讨论的公式来验证这一点。

Vout=（R3/R1）（V2-V1）当R1＝R2且R3＝R4时=（22/10）（4-3.6）=（2.2）x（0.4）=0.88v

 

在硬件上测试差分放大器电路

现在进入有趣的部分，让我们在试验板上构建相同的电路，并检查我们是否能够实现相同的结果。我正在使用LM324运算放大器构建电路并使用Breadboard电源模块我们早些时候建造的。这个模块可以提供5V和3.3V的输出，所以我使用5V电源轨为我的运算放大器供电，3.3V电源轨作为V1。然后，我使用我的RPS（稳压电源）为引脚V2提供3.7V电压。电压之间的差值是0.4，我们有2.2的增益，这应该给我们0.88V，这正是我得到的。下图显示了设置和万用表，其读数为0.88V。

 

这证明了我们对差分运算放大器的理解是正确的，现在我们知道如何自己设计一个具有所需增益值的运算放大器。完整的工作也可以在下面的视频中找到这些电路更经常用于音量控制应用中。

 

但是，由于电路在输入电压侧（V1和V2）具有电阻器，所以它不能提供非常高的输入阻抗，并且还具有高共模增益，这导致低CMRR比。为了克服这些缺点，有一种即兴版本的差分放大器，称为仪器放大器，但让我们把它留给另一个教程。

 

希望您理解本教程，并喜欢学习差分放大器。如果您有任何疑问，请将其留在评论部分或使用论坛以获得更多的技术问题和更快的响应。