差分信号电路的工作原理与应用
差分信号电路的工作原理与应用
差分信号电路是电子工程中一种重要的电路类型，主要用于放大两个输入信号的差值，同时抑制共模信号。这种电路在高精度测量和抗干扰设计中有着广泛的应用。本文将从基本概念出发，详细解析差分运放电路的工作原理及其在不同工作状态下的特点。
一、什么是差分运放电路
差分电路是一种具有对共模信号抑制、对差模信号放大特征的电路。该电路的两个信号输入的差值是其有效值。将这两个信号输入只差进行放大后输出。如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。对于运算放大电路来说，运放工作在线性区，所以电路一定是负反馈电路。
运放的基本分析方法就是虚短和虚断，同样对差分电路使用虚短和虚断分析。
虚短：在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。
虚断：在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零。即运放输入电阻无穷大，就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开路，称为“虚断”。
则有：
联立可得：
若R1=R2，R3=R4，则有：
差分运放电路具有输入阻抗极大（理想情况下为无穷大），一般为兆欧级、输出阻抗小、抑制共模信号的特点。也正因其具有抑制共模信号的特点，所以差分运放电路经常被用于高精度的仪表放大中。
差分放大电路的共模抑制比是一个非常重要的指标，它反映了电路对共模信号的抑制能力。为了保证良好的共模抑制比，需要注意保证输入端的对称性，即两个输入信号的幅度和相位都应该相同。要避免输出端的共模反馈，这可以通过在输出端增加电容形成RC滤波来达到。也要注意电源噪声对电路性能造成的影响，因此也可在电源输入端加入电容滤波。
二、差分运放电路的工作状态
接下来咱们来看看三种不同工作状态下的差分运放电路有什么特点。
当VP=VN时：
由于虚短，同相输入端为高阻态，其输入电压值仅仅取决于R2、R3分压值；
由于虚断，可知其反相输入端，即R1、R4串联分压电路。这是反馈电压。放大器的控制目的是使反馈电压等于基准电压。
由R1=R2，R3=R4条件可知，放大器输出端只有处于“虚地”状态，即输出端为0V，才能满足b点=a点=2V，这可以由此导出差分放大器的一个工作特征。
当VP>VN时：
此时因同相输入端电压高于反相输入端，输出端电压往正方向变化。
由R3、R4的阻值比例可知，R3两端电压降为(V+-VN)，其中V+的电压为VP在R2，R3的分压电压，则R4两端电压降为4*(V+-VN)，输出端电压为V+-VN+4*(V+-VN)。
显然，该差分放大器的差分电压放大倍数=R4/R1是4倍压差分放大器。由此可以推知差分放大器的差分输入放大倍数为（VP-VN）×R4/R1=Vout。
当VP<VN时：
此时因反同相输入端电压高于同相输入端，输出端电压往负方向变化，其R2、R4偏置电路中的电流方向如红色粗线。同样，依R2、R4的阻值比例可推知，在此输入条件下，输出端电压为-[V+-VN+4*(V+-VN)]，电路依然将输入差分信号放大了4倍。