一文解析差動(dòng)放大器電路原理

　　運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于各類型電子產(chǎn)品上面，用來對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行放大或衰減，使信號(hào)幅值達(dá)到一個(gè)合理的區(qū)間，供其它電路進(jìn)行比較或采樣。

　　差動(dòng)放大器具有一個(gè)普通放大器不具備的優(yōu)點(diǎn)：可對(duì)一個(gè)或多個(gè)不共地的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，各個(gè)被測(cè)信號(hào)或放大器皆不受非等電位帶來的影響，使各個(gè)被信號(hào)與放大器之間繼續(xù)保持著“隔離”特性。但這個(gè)這么好的優(yōu)點(diǎn)卻沒有被儀器廠家重視。

　　目前絕大多數(shù)的示波器都無法對(duì)兩個(gè)以上不共地信號(hào)進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，甚至只使用單通道時(shí)也無法直接測(cè)量非隔離的信號(hào)，例如220V市電，或220V整流后的電壓，因?yàn)樘筋^的地跟交流電地線是通的，一測(cè)就是短路。假如前級(jí)采樣采用差動(dòng)放大器電路形式，此問題迎刃而解了。不過福祿克的示波表倒是支持測(cè)量不共地信號(hào)，但它是不是用的差動(dòng)放大電路，我就沒去研究過了。

　　下圖是整流器電壓的采樣電路，根據(jù)科技先軀們的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)兩輸入電阻相等，兩反饋電阻也相等時(shí)（姑且把同相端電阻也稱為反饋電阻），電路的放大比例為RF/RI，下圖為10/1000，即0.01倍，衰減型電路。

　　教科書上的公式推導(dǎo)過程我看來看去硬是看不明白，數(shù)學(xué)沒學(xué)好是我的硬傷，但我相信公式是正確的，因?yàn)槲矣梦易约旱睦斫夥绞接?jì)算過，也實(shí)驗(yàn)過，放大比例確實(shí)是RF/RI，下面我就分享一下我的推導(dǎo)方法，也是各電壓點(diǎn)的計(jì)算方法，但是要注意的是，這個(gè)計(jì)算方法是針對(duì)被測(cè)信號(hào)與放大器不共地的時(shí)候用的，在共地的時(shí)候計(jì)算法又不同，后面我會(huì)講到。

　　圖中，受測(cè)電壓為540VDC，上正下負(fù)。

　　我們知道，運(yùn)放工作在放大區(qū)時(shí)，正反輸入端電壓是相等的（理想狀態(tài)下完全一致，實(shí)際有少許偏差，偏差值由運(yùn)放品質(zhì)決定），即虛短，那受測(cè)信號(hào)的負(fù)載電流可以等效于右圖，我們由此計(jì)算出受測(cè)信號(hào)回路電流，540V/2000K=0.27MA，紅色箭頭為電流方向，OK。

　　我們還知道，運(yùn)放還有虛斷特性，即正反輸入端的電流幾乎為0，可以忽略不計(jì)，那我們就可以斷定，流經(jīng)兩輸入電阻的電流與流經(jīng)兩反饋電阻的電流是一樣的，即4個(gè)電阻的電流都為0.27MA。因此我們可以算出反饋電阻的電壓為0.27MA*10K=2.7V，電流由下往上流，故同相輸入端電壓為-2.7V，因?yàn)樘摱?，反相輸入端電壓也?2.7V，負(fù)反饋電阻電流由左向右流，即電阻電壓為左高右低，幅值2.7V，故輸出電壓比反向輸入端-2.7V還要低2.7V，即-5.4V。

　　如果用公式計(jì)算，放大比例為0.01，540*0.01=5.4V，由于是反相電路，還要加上負(fù)號(hào)，即套用公式的算法和我自己的算法算出來的結(jié)果是一樣的，但我的算法更易懂（我個(gè)人是這認(rèn)為），并且能算出各點(diǎn)電壓，這在維修時(shí)可以很快判斷出哪個(gè)點(diǎn)電壓異常，從而較快發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，提高維修效率。

　　有朋友說，輸出電壓等于兩輸入電壓相加（-2.7+（-2.7）=-5.4），這是不是加法器啊？這其實(shí)不是加法器，這個(gè)結(jié)果只是碰巧，因?yàn)檫@種電路兩反饋電阻相同。為了消除朋友的疑惑，我們看看下圖。

　　我把負(fù)反饋電阻由10K改為1K，我們看看發(fā)生了什么？受測(cè)信號(hào)電流沒變，兩輸入端電壓也沒變，但輸出變了，因?yàn)榉答侂娮枳冃×耍答侂娮璧碾妷河?.7V變成0.27V（0.27MA*1K=0.27V）了，所以輸出變成-2.7+（-0.27）=-2.97V了。

　　所以，輸出電壓并不一定等于兩輸入端電壓和，當(dāng)然，但凡用到這種電路的人，都不輕易改變電路形態(tài)，依舊保持兩輸入電阻，兩反饋電阻相等。

　　上面的計(jì)算方法僅對(duì)于受測(cè)信號(hào)與運(yùn)放不共地的情況下，如果受測(cè)信號(hào)跟運(yùn)放大有直接關(guān)系，計(jì)算方法跟普通放大器計(jì)算方面大致相同?？聪聢D

　　圖中是個(gè)電流檢測(cè)電路，在負(fù)載回路中串入一小電阻，由小電阻兩端獲得微弱信號(hào)，送到差動(dòng)放大器進(jìn)行10倍放大。

　　我們先來計(jì)算一下負(fù)載電流，12V/5.1Ω=2.35A，負(fù)載電阻電壓為2.35A*5Ω=11.76V（四舍五入），采樣電阻電壓為12-11.76=0.24V，反相放大10倍，結(jié)果應(yīng)為-2.4V，我們來驗(yàn)證一下。

　　先來確實(shí)同相端電壓，負(fù)載電阻電壓為11.76V，由此我們算出同相端電壓為11.76V/110*100=10.69V，由于虛短，反相端也是10.69V，負(fù)反饋電流為（12-10.69）V/10K=0.131MA，負(fù)反饋電阻電壓為0.131MA*100K=13.1V，左高右低，所以輸出電壓為10.69-13.1=-2.41V（多出0.01是因?yàn)榍捌谒纳嵛迦氲钠睿?，?jì)算結(jié)果與套用公式結(jié)果無異。還是那句話，通過測(cè)量各點(diǎn)電壓值正常與否能較快發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，這就是理論的重要性。

　　我們知道，負(fù)載有輸入電阻，電源有輸出電阻，為什么帶負(fù)載時(shí)電壓為有所下降？就是電源的輸出電阻在作怪。而信號(hào)，也會(huì)有輸出電阻。請(qǐng)看下圖。

　　圖左是一個(gè)反相器，把前級(jí)送來的信號(hào)進(jìn)行反向放大，C極獲得與輸入信號(hào)頻率相同，相位相反，幅值為12V的信號(hào)。

　　但如果給輸出信號(hào)加個(gè)負(fù)載，阻值與C極電阻一樣，結(jié)果會(huì)怎樣呢？如圖右，我們看到，輸出信號(hào)頻率和相位沒變，但幅值變了為6V，足足少了一半，這就是信號(hào)輸出電阻（C極電阻）的影響。在電子電路路，經(jīng)常遇到這樣的情況，一些信號(hào)（或電壓）要去驅(qū)動(dòng)一些負(fù)載，但自身的輸出電阻因素，造成驅(qū)動(dòng)能力又不夠，無力去驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載，怎么辦呢？這個(gè)時(shí)候，就要在驅(qū)動(dòng)源與后級(jí)負(fù)載之間加一級(jí)緩沖器了，如下圖所示。

　　在驅(qū)動(dòng)源與負(fù)載之間加了個(gè)三極管，驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接拉B極，信號(hào)處在高電平時(shí)，B極有電流流入，從E極流出，流過負(fù)載電阻，最后到地，但B極電流的流入，促使三極管迅速導(dǎo)通，產(chǎn)生C極電流，由于三極管有放大作用，C極電流=B基電流*放大倍數(shù)，C極電流很大，使三極管達(dá)到飽和狀態(tài)，E極電壓約為11.4V，只比B極電壓低0.6V，忽略此壓降的話，可看成VB=VE，因此保證了對(duì)負(fù)載電阻有足夠的電壓幅值，提高了驅(qū)動(dòng)能力。由于這種只放大電流驅(qū)動(dòng)能力，不放大電壓，VE隨VB而變，即射極電壓跟隨基極電壓而變，人們就把這個(gè)三極管電路稱為射極跟隨器，它也是射極跟隨器的鼻祖。后來運(yùn)放的出現(xiàn)，就有了升級(jí)版的射極跟隨器，三極管版的，輸入輸出信號(hào)有0.6V壓差，但運(yùn)放版的壓差就小很多。下圖所示

　　朋友們有沒有覺得很奇怪，講差動(dòng)放大器怎么又講到射極跟隨器來了？大家不要急，請(qǐng)聽我慢慢講。

　　上面講的兩個(gè)差動(dòng)放大電路，一個(gè)是衰減100倍的，一個(gè)是放大10倍的，那我們來個(gè)既不放大，也不衰減的，怎樣？看下圖。

　　上面這電路有什么作用呢？電壓放大倍數(shù)為1，即不放大。而電流驅(qū)動(dòng)能力肯定是增強(qiáng)了，對(duì)了，它不就是射極跟器嗎？沒錯(cuò)，其實(shí)它就是射極跟隨器，不放大電壓，只提高電流驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)然，電路叫什么名字并不重要，重要的是一定要知道它工作原理，這樣才能對(duì)維修能力有所幫助。

　　其實(shí)差動(dòng)放大器也有同相放大和反相放大，上面講的都是反相放大，當(dāng)受測(cè)信號(hào)的正是接放大器的正，就是同相放大，反之就反相放大，我們拿上面的電流檢測(cè)電路作一下改動(dòng)，看下圖。