差分運放（Differential Amplifier）是一種具有兩個輸入端的運算放大器，其輸出與兩個輸入端的差值成正比。差分運放廣泛應用于模擬電路中，如信號放大、濾波、比較器等。

一、差分運放的工作原理

差分運放的基本結構由兩個對稱的放大器組成，分別接收正輸入端（V+）和負輸入端（V-）的信號。差分運放的輸出（Vout）與兩個輸入端的差值成正比，即：

Vout = A * (V+ - V-)

其中，A為差分運放的增益。

圖1 差分運放的基本結構

差分運放的工作原理可以分為以下幾個步驟：

1. 輸入信號的接收：差分運放的正輸入端和負輸入端分別接收兩個信號，這兩個信號可以是模擬信號、數字信號或混合信號。
2. 信號的放大：差分運放內部的兩個放大器分別對正輸入端和負輸入端的信號進行放大。這兩個放大器的增益相同，且具有很高的線性度。
3. 差值計算：差分運放內部的差分電路將兩個放大器的輸出進行差值計算，得到差分信號。
4. 輸出信號的生成：差分信號經過差分運放的輸出級放大后，得到最終的輸出信號。

二、差分運放的電路設計

差分運放的電路設計主要包括以下幾個方面：

1. 差分對：差分運放的核心部分是差分對，它由兩個對稱的晶體管或MOSFET組成。差分對的設計需要考慮晶體管的匹配度、工作區域、偏置電路等因素。
2. 偏置電路：差分運放的偏置電路用于為差分對提供穩定的工作條件。偏置電路的設計需要考慮電源電壓、溫度、負載等因素。
3. 差分電路：差分電路用于計算差分對的差值。差分電路的設計需要考慮差分增益、共模抑制比、線性度等因素。
4. 輸出級：差分運放的輸出級用于放大差分信號并提供足夠的驅動能力。輸出級的設計需要考慮輸出阻抗、負載能力、功耗等因素。
5. 反饋網絡：差分運放的反饋網絡用于穩定放大器的工作狀態。反饋網絡的設計需要考慮增益、穩定性、帶寬等因素。

三、差分運放的性能指標

差分運放的性能指標主要包括以下幾個方面：

1. 增益：差分運放的增益是指輸出信號與輸入信號差值的比值。增益越高，差分運放對輸入信號的放大能力越強。
2. 線性度：差分運放的線性度是指輸出信號與輸入信號差值的線性關系。線性度越高，差分運放的非線性失真越小。
3. 共模抑制比（CMRR）：差分運放的共模抑制比是指差分運放對共模信號的抑制能力。CMRR越高，差分運放對共模信號的抑制能力越強。
4. 帶寬：差分運放的帶寬是指差分運放能夠正常工作的頻率范圍。帶寬越寬，差分運放的適用范圍越廣。
5. 輸入偏置電流：差分運放的輸入偏置電流是指差分運放輸入端的直流電流。輸入偏置電流越小，差分運放的功耗越低。
6. 輸入偏置電壓：差分運放的輸入偏置電壓是指差分運放輸入端的直流電壓。輸入偏置電壓越小，差分運放的輸入信號范圍越大。
7. 輸出阻抗：差分運放的輸出阻抗是指差分運放輸出端的電阻。輸出阻抗越低，差分運放的負載驅動能力越強。

四、差分運放的應用實例

差分運放廣泛應用于模擬電路中，以下是一些典型的應用實例：

1. 信號放大：差分運放可以用于放大微弱的模擬信號，如傳感器信號、生物信號等。
2. 濾波器：差分運放可以用于實現各種濾波器，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。
3. 比較器：差分運放可以用于實現比較器，比較兩個模擬信號的大小，并輸出數字信號。
4. 儀器放大器：差分運放可以用于實現儀器放大器，對傳感器信號進行高精度放大。