運算放大器最初是為模擬數學計算而開發的，從那時起，它們已被證明在許多設計應用中都很有用，它們可以使用求和放大器電路執行兩個給定電壓值的加法，并使用差分放大器執行兩個電壓值之間的差。除此之外，運算放大器還通常用作反相放大器和同相放大器。

運算放大器的基礎知識

在我們深入了解差分運算放大器之前，讓我們快速了解一下運算放大器的基礎知識。運算放大器是一個五端子器件（單封裝），帶有兩個端子（Vs+、Vs-），用于為器件供電。在其余三個端子中，兩個（V+、V-）用于信號，稱為反相和同相端子，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，將其放大增益值并將其作為輸出電壓（Vout）。運算放大器的增益可能非常高，因此適用于音頻應用。永遠記住，運算放大器的輸入電壓應低于其工作電壓。

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。要了解運算放大器的工作原理，我們可以將運算放大器電路大致分為開環和閉環。

運算放大器開環電路（比較器）

在開環運算放大器電路中，輸出引腳（Vout）不與任何輸入引腳連接，即不提供反饋。在這種開環條件下，運算放大器用作比較器。一個簡單的運算放大器比較器如下所示。請注意，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。

運算放大器閉環電路（放大器）

在閉環運算放大器電路中，運算放大器的輸出引腳與任一輸入引腳連接以提供反饋。這種反饋稱為閉環連接。在閉環期間，運算放大器用作放大器，在此模式下，運算放大器可以找到許多有用的應用，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，則稱為負反饋電路（如下所示），如果連接到非反相端子，則稱為正反饋電路。

差分放大器或電壓減法器

現在讓我們進入我們的主題，差分放大器。差分放大器基本上接收兩個電壓值，找到這兩個值之間的差異并將其放大。產生的電壓可以從輸出引腳獲得。一個基本的差分放大器電路如下所示。

但是等等！這不是運算放大器在默認情況下所做的，即使它沒有反饋，它需要兩個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，但是運算放大器在開環（無反饋）中使用時將具有非常高的不受控制的增益，這實際上是沒有用的。因此，我們使用上述設計在負反饋環路中使用電阻器來設置增益值。在我們上面的電路中，電阻器 R3 充當負反饋電阻器，電阻器 R2 和 R4 形成分壓器。增益值可以通過使用正確的電阻值來設置。

如何設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得到的。但是，我們不要過多討論。通過考慮 R1=R2 和 R3=R4，我們可以進一步簡化上述方程。所以我們會得到

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

從上面的公式我們可以得出結論，R3和R1之間的比率將等于放大器的增益。

增益 = R3/R1

現在，讓我們用電阻值代替上述電路并檢查電路是否按預期工作。

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。根據公式，電阻器 22k 和 10k 將設置增益為 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的公式來驗證這一點。

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

= （22/10）（4-3.6）

= （2.2） x （0.4）

= 0.88v

審核編輯：湯梓紅