差分放大器是模擬電路中的核心模塊，其核心功能是放大兩個輸入信號的差值（差模信號），同時抑制共模信號（如噪聲或干擾）。以下是其工作原理和基本電路形式的詳細(xì)說明。

一、差分放大器的工作原理

1. 差模信號放大

• 差模信號：兩個輸入端（Vin+ 和 Vin-）的電壓差（V_diff = Vin+ - Vin-）。

• 放大機制：差分放大器通過差分對（如雙極型晶體管或MOSFET）將差模信號轉(zhuǎn)換為電流變化，再通過負(fù)載（如電阻或電流源）將電流變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

• 輸出信號：輸出電壓（Vout）與差模信號成正比，即 Vout = A_d * V_diff，其中 A_d 為差模增益。

2. 共模信號抑制

• 共模信號：兩個輸入端的平均電壓（V_cm = (Vin+ + Vin-)/2），如電源噪聲或環(huán)境干擾。

• 抑制機制：差分放大器的差分對和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)，使得共模信號在兩個輸入端產(chǎn)生的電流變化相互抵消，從而抑制共模信號的放大。

• 共模抑制比（CMRR）：衡量差分放大器抑制共模信號的能力，定義為差模增益與共模增益之比（CMRR = A_d / A_cm）。

3. 關(guān)鍵特性

• 高輸入阻抗：減少對信號源的影響。

• 低輸出阻抗：便于驅(qū)動后續(xù)電路。

• 高共模抑制比（CMRR）：提高信號質(zhì)量，抑制噪聲。

二、基本電路形式

1. 雙極型晶體管差分放大器

• 核心元件：

• 差分對：Q1 和 Q2（兩個NPN晶體管）。

• 負(fù)載電阻：Rc（集電極電阻）。

• 共模反饋電阻：Re（發(fā)射極電阻，用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點并提高共模抑制能力）。

• 工作原理：

• 差模信號：Vin+ 和 Vin- 的電壓差導(dǎo)致 Q1 和 Q2 的集電極電流變化相反，輸出電壓在 Rc 上產(chǎn)生差分信號。

• 共模信號：Vin+ 和 Vin- 的電壓相同，Q1 和 Q2 的集電極電流變化相同，輸出電壓在 Rc 上相互抵消。

2. MOSFET差分放大器

• 核心元件：

• 差分對：M1 和 M2（兩個NMOS晶體管）。

• 負(fù)載電阻：Rd（漏極電阻）。

• 源極電阻：Rs（用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點并提高共模抑制能力）。

• 工作原理：

• 差模信號：Vin+ 和 Vin- 的電壓差導(dǎo)致 M1 和 M2 的漏極電流變化相反，輸出電壓在 Rd 上產(chǎn)生差分信號。

• 共模信號：Vin+ 和 Vin- 的電壓相同，M1 和 M2 的漏極電流變化相同，輸出電壓在 Rd 上相互抵消。

3. 集成運放中的差分輸入級

• 現(xiàn)代集成運放（如LM741、OPA227）的輸入級通常為差分放大器，采用更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（如電流鏡負(fù)載、共模反饋電路）以提高性能。

• 典型結(jié)構(gòu)：

• 差分對：MOSFET或BJT。

• 電流鏡負(fù)載：提高增益和共模抑制能力。

• 共模反饋（CMFB）電路：穩(wěn)定共模輸出電壓。

三、差分放大器的關(guān)鍵參數(shù)

四、差分放大器的應(yīng)用

1. 傳感器信號調(diào)理：

• 將傳感器輸出的微弱差分信號放大，同時抑制共模噪聲（如電源噪聲、環(huán)境干擾）。

• 示例：溫度傳感器、壓力傳感器、加速度計。

2. 儀表放大器：

• 作為儀表放大器的核心部分，提供高共模抑制比和差分信號放大。

• 示例：醫(yī)療設(shè)備（心電圖、腦電圖）、工業(yè)自動化。

3. 通信系統(tǒng)：

• 差分信號傳輸（如RS-485、以太網(wǎng)PHY層），提高抗干擾能力。

• 示例：網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)總線。

4. 音頻放大：

• 差分輸入的音頻放大器，減少電源噪聲干擾。

• 示例：專業(yè)音頻設(shè)備、耳機放大器。

五、設(shè)計注意事項

1. 元件匹配：

• 差分對（如Q1和Q2或M1和M2）的參數(shù)（如β、Vth）需嚴(yán)格匹配，以提高共模抑制能力。

2. 共模反饋：

• 在全差分放大器中，需設(shè)計共模反饋電路（CMFB）以穩(wěn)定共模輸出電壓。

3. 電源噪聲抑制：

• 采用差分供電或濾波電路，減少電源噪聲對輸出的影響。

4. 頻率補償：

• 在高頻應(yīng)用中，需進(jìn)行頻率補償以避免振蕩。

六、總結(jié)

• 工作原理：差分放大器通過差分對放大差模信號，同時通過對稱結(jié)構(gòu)和共模反饋抑制共模信號。

• 基本電路形式：包括雙極型晶體管差分放大器、MOSFET差分放大器和集成運放中的差分輸入級。

• 應(yīng)用場景：傳感器信號調(diào)理、儀表放大器、通信系統(tǒng)、音頻放大等。

• 設(shè)計要點：元件匹配、共模反饋、電源噪聲抑制和頻率補償。

通過理解差分放大器的工作原理和基本電路形式，可以更好地設(shè)計和應(yīng)用差分放大器，滿足高精度、抗干擾的信號處理需求。