【導讀】運yun算suan放fang大da器qi最zui初chu是shi為wei模mo擬ni數shu學xue計ji算suan而er開kai發fa的de
，從cong那na時shi起qi
，它ta們men已yi被bei證zheng明ming在zai許xu多duo設she計ji應ying用yong中zhong都dou很hen有you用yong。正zheng如ru我wo的de教jiao授shou所suo說shuo的de那na樣yang
，運yun算suan放fang大da器qi是shi算suan術shu電dian壓ya計ji算suan器qi，它ta們men可ke以yi使shi用yong求qiu和he放fang大da器qi電dian路lu執zhi行xing兩liang個ge給gei定ding電dian壓ya值zhi的de加jia法fa，並bing使shi用yong差cha分fen放fang大da器qi執zhi行xing兩liang個ge電dian壓ya值zhi之zhi間jian的de差cha。除chu此ci之zhi外wai，運yun算suan放fang大da器qi還hai通tong常chang用yong作zuo反fan相xiang放fang大da器qi和he同tong相xiang放fang大da器qi。

運yun算suan放fang大da器qi最zui初chu是shi為wei模mo擬ni數shu學xue計ji算suan而er開kai發fa的de
，從cong那na時shi起qi，它ta們men已yi被bei證zheng明ming在zai許xu多duo設she計ji應ying用yong中zhong都dou很hen有you用yong。正zheng如ru我wo的de教jiao授shou所suo說shuo的de那na樣yang，運yun算suan放fang大da器qi是shi算suan術shu電dian壓ya計ji算suan器qi，它ta們men可ke以yi使shi用yong求qiu和he放fang大da器qi電dian路lu執zhi行xing兩liang個ge給gei定ding電dian壓ya值zhi的de加jia法fa，並bing使shi用yong差cha分fen放fang大da器qi執zhi行xing兩liang個ge電dian壓ya值zhi之zhi間jian的de差cha。除chu此ci之zhi外wai，運yun算suan放fang大da器qi還hai通tong常chang用yong作zuo反fan相xiang放fang大da器qi和he同tong相xiang放fang大da器qi。

在(zai)本(ben)教(jiao)程(cheng)中(zhong)
，我(wo)們(men)將(jiang)學(xue)習(xi)如(ru)何(he)將(jiang)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)用(yong)作(zuo)差(cha)分(fen)放(fang)大(da)器(qi)來(lai)查(zha)找(zhao)兩(liang)個(ge)電(dian)壓(ya)值(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)差(cha)。它(ta)也(ye)被(bei)稱(cheng)為(wei)電(dian)壓(ya)減(jian)法(fa)器(qi)。我(wo)們(men)還(hai)將(jiang)在(zai)麵(mian)包(bao)板(ban)上(shang)嚐(chang)試(shi)電(dian)壓(ya)減(jian)法(fa)器(qi)電(dian)路(lu)，並(bing)檢(jian)查(zha)電(dian)路(lu)是(shi)否(fou)按(an)預(yu)期(qi)工(gong)作(zuo)。

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-）

，用於為器件供電。在其餘三個端子中，兩個（V+
、V-）用於信號，稱為反相和同相端子
，其餘一個（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，將其放大增益值並將其作為輸出電壓（Vout）。運yun算suan放fang大da器qi的de增zeng益yi可ke能neng非fei常chang高gao
，因yin此ci適shi用yong於yu音yin頻pin應ying用yong。永yong遠yuan記ji住zhu
，運yun算suan放fang大da器qi的de輸shu入ru電dian壓ya應ying低di於yu其qi工gong作zuo電dian壓ya。要yao了le解jie有you關guan運yun算suan放fang大da器qi的de更geng多duo信xin息xi，請qing查zha看kan其qi在zai各ge種zhong基ji於yu運yun算suan放fang大da器qi的de電dian路lu中zhong的de應ying用yong。

對於理想運算放大器，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bu與yu任ren何he輸shu入ru引yin腳jiao連lian接jie
，即ji不bu提ti供gong反fan饋kui。在zai這zhe種zhong開kai環huan條tiao件jian下xia
，運yun算suan放fang大da器qi用yong作zuo比bi較jiao器qi。一yi個ge簡jian單dan的de運yun算suan放fang大da器qi比bi較jiao器qi如ru下xia所suo示shi。請qing注zhu意yi，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 的電壓大於 V2
，則輸出 Vout 將變高。同樣，如果提供給 V2 的電壓大於 V1
，則輸出 Vout 將變低。

運算放大器閉環電路（放大器）

在zai閉bi環huan運yun算suan放fang大da器qi電dian路lu中zhong
，運yun算suan放fang大da器qi的de輸shu出chu引yin腳jiao與yu任ren一yi輸shu入ru引yin腳jiao連lian接jie以yi提ti供gong反fan饋kui。這zhe種zhong反fan饋kui稱cheng為wei閉bi環huan連lian接jie。在zai閉bi環huan期qi間jian，運yun算suan放fang大da器qi用yong作zuo放fang大da器qi，在zai此ci模mo式shi下xia
，運yun算suan放fang大da器qi可ke以yi找zhao到dao許xu多duo有you用yong的de應ying用yong

，例li如ru緩huan衝chong器qi、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xian在zai讓rang我wo們men進jin入ru我wo們men的de主zhu題ti
，差cha分fen放fang大da器qi。差cha分fen放fang大da器qi基ji本ben上shang接jie收shou兩liang個ge電dian壓ya值zhi，找zhao到dao這zhe兩liang個ge值zhi之zhi間jian的de差cha異yi並bing將jiang其qi放fang大da。產chan生sheng的de電dian壓ya可ke以yi從cong輸shu出chu引yin腳jiao獲huo得de。一yi個ge基ji本ben的de差cha分fen放fang大da器qi電dian路lu如ru下xia所suo示shi。

但是等等！zhebushiyunsuanfangdaqizaimorenqingkuangxiasuozuode，jishitameiyoufankui，taxuyaolianggeshurubingzaishuchuyinjiaoshangtigongtamendechayi。nameweishenmewomenxuyaosuoyouzhexiehuashaodedianzune？

是的，但是運算放大器在開環（無反饋）中(zhong)使(shi)用(yong)時(shi)將(jiang)具(ju)有(you)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)不(bu)受(shou)控(kong)製(zhi)的(de)增(zeng)益(yi)
，這(zhe)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)沒(mei)有(you)用(yong)的(de)。因(yin)此(ci)
，我(wo)們(men)使(shi)用(yong)上(shang)述(shu)設(she)計(ji)在(zai)負(fu)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu)中(zhong)使(shi)用(yong)電(dian)阻(zu)器(qi)來(lai)設(she)置(zhi)增(zeng)益(yi)值(zhi)。在(zai)我(wo)們(men)上(shang)麵(mian)的(de)電(dian)路(lu)中(zhong)
，電(dian)阻(zu)器(qi) 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）

從上麵的公式我們可以得出結論，R3和R1之間的比率將等於放大器的增益。

增益 = R3/R1

現在
，讓我們用電阻值代替上述電路並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。

出於模擬的目的，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），並將乘以增益值 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

在硬件上測試差分放大器電路

現在到了有趣的部分，讓我們在麵包板上實際構建相同的電路並檢查我們是否能夠獲得相同的結果。我正在使用LM324 運算放大器來構建電路並使用我們之前構建的麵包板電源模塊。該模塊可以提供 5V 和 3.3V 輸出
，所以我使用 5V 電源軌為我的運算放大器供電，3.3V 電源軌作為 V1。然後我使用我的 RPS（穩壓電源）為引腳 V2 提供 3.7V。電壓之間的差異是 0.4
，我們有 2.2 的增益

，這應該給我們 0.88V，這正是我得到的。下圖顯示了設置和萬用表，其讀數為 0.88V。

這(zhe)證(zheng)明(ming)我(wo)們(men)對(dui)差(cha)分(fen)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)理(li)解(jie)是(shi)正(zheng)確(que)的(de)，現(xian)在(zai)我(wo)們(men)知(zhi)道(dao)如(ru)何(he)自(zi)行(xing)設(she)計(ji)具(ju)有(you)所(suo)需(xu)增(zeng)益(yi)值(zhi)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)。完(wan)整(zheng)的(de)工(gong)作(zuo)也(ye)可(ke)以(yi)在(zai)下(xia)麵(mian)給(gei)出(chu)的(de)視(shi)頻(pin)中(zhong)找(zhao)到(dao)。這(zhe)些(xie)電(dian)路(lu)更(geng)常(chang)用(yong)於(yu)音(yin)量(liang)控(kong)製(zhi)應(ying)用(yong)。

但是，由於該電路在輸入電壓側（V1 和 V2）具有電阻，因此它不能提供非常高的輸入阻抗，並且還具有高共模增益，從而導致低 CMRR 比。為了克服這些缺點，存在一種稱為儀表放大器的臨時版本的差分放大器，但讓我們將其留給另一個教程。

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