从原理到计算到设计，手把手教你学会用运放搭建差分放大电路
从原理到计算到设计，手把手教你学会用运放搭建差分放大电路
差分放大电路在电路设计中非常重要，它能够有效放大两个输入信号差，提取并放大我们需要的信号，同时可以有效抑制共模噪声。本文将从原理到计算再到设计，手把手教你学会用运放搭建差分放大电路。
前言
电路中的噪声有两大类，一种是差模噪声，一种是共模噪声。差分放大电路在电路设计中非常重要，它能够有效放大两个输入信号差，提取并放大我们需要的信号，同时可以有效抑制共模噪声。
四电阻差分放大器是一种常见的差分放大器电路拓扑配置，通常由四个电阻和一个运算放大器组成。这种电路能有效地放大两个输入信号之间的差异，同时实现较高的共模抑制比。
差分放大电路输出电压推导
我们就以下面的差分放大电路为例详细推导一下差分放大电路的输出电压传递函数。
电源配置：Vin1和Vin2为两个正弦波，幅值分别为1V和2V，频率均为1Khz，Vref为参考电压源，用于为输出电压设置偏置电压，在双电源供电电路中，我们可以对参考电压进行接地处理，当单电源供电时，为了避免输出电压过低，我们可以通过设置参考电压，来对输出电压进行偏置。
过程推导：我们在推导运放电路的输出电压时，最常用的三条原理分别是：
- 叠加定理：首先识别电路中的所有独立电压源和电流源。逐一考虑单个电源对电路输出的影响，并把其他电源按如下原则处理（电压源短路或电流源开路）。最后把每个电源对输出的响应相加，得到电路的总响应。
- 虚短虚断
步骤1：
我们搭建的差分放大电路中有三个电源，Vin1，Vin2，Vref，基于叠加定理，首先考虑Vin1对输出的影响（Vin2，Vref对地短路），此时电路等效为反相放大电路：
Vo1=-Vin1*R3/R1
步骤2：
接着我们考虑Vin2对输出的影响（Vin1，Vref对地短路），此时电路等效为同相放大电路：
Vo2=Vin2*(R4/(R2+R4))*(1+R3/R1)
步骤3：
最后我们考虑Vref对输出的影响（Vin1，Vin2对地短路），此时电路仍旧等效为同相放大电路：
Vo3=Vref*(R2/(R2+R4))*(1+R3/R1)
所以最终的输出Vout=Vo1+Vo2+Vo3
Vout=-Vin1R3/R1+Vin2(R4/(R2+R4))(1+R3/R1)+Vref(R2/(R2+R4))*(1+R3/R1)
如果R1=R2，R3=R4，那么Vout就可以简化成：
Vout=(Vin2-Vin1)*R3/R1+Vref
增益G=R3/R1
为了计算方便我们在设计差分电路的时候一般都按R1=R2，R3=R4去设计电路。
计算
基于上面的的公式推导，我们可以计算出设计电路的参数：
- 增益G
G=R3/R1=2K/1K=2，下面是仿真结果
- 带宽仿真
注意事项
实际的信号源Vin1，Vin2都是有内阻的，既然有内阻，在计算Vout时，这些内阻也是需要参与计算的，为了降低这些内阻对Vout的影响，电阻R1以及电阻R2需要远大于信号源的内阻才行，比如至少100倍。
确保运算放大器工作在线性区，运算放大器的输入电压不能超过运放的共模输入电压范围。
使用R1，R2，R3，R4电阻值太大（比如MΩ级）会降低电路的相位裕度并在电路中引入额外的噪声，如果避免不了使用较大的电阻值，那么可以在R3，R4上并联一个电容，提高电路的稳定性。
运放的输出端不要直接接电容，即使你是为了滤波，可以先串联电阻，再接电容，不然会影响电路的稳定性。