差分运算放大器基本知识
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一．差分信号的特点：
图1 差分信号
1.差分信号是一对幅度相同，相位相反的信号。差分信号会以一个共模信号
V ocm为中心，如图1所示。差分信号包含差模信号和公模信号两个部分，差模与公模的定义分别为：Vdiff=(V out+-V out-)/2，V ocm=(V out++V out-)/2。
2.差分信号的摆幅是单端信号的两倍。如图1，绿色表示的是单端信号的摆
幅，而蓝色表示的是差分信号的摆幅。所以在同样电源电压供电条件下，使用差分信号增大了系统的动态范围。
3.差分信号可以抑制共模噪声，提高系统的信噪比。In a differential system,
keeping the transport wires as close as possible to one another makes the noise coupled into the conductors appear as a common-mode voltage. Noise that is common to the power supplies will also appear as a common-mode voltage.
Since the differential amplifier rejects common-mode voltages, the system is more immune to external noise.
4.差分信号可以抑制偶次谐波，提高系统的总谐波失真性能。
Differential systems provide increased immunity to external noise, reduced even-order harmonics, and twice the dynamic range when compared to signal-ended system.
二．分析差分放大器电路
图2.差分放大器电路分析图
如图2所示，差分放大电路分析的基本原则与普通运算放大器中虚断虚短原则相
同，同时还具有其特有的分析原则：
输出的差分信号幅度相同，相位相差180度，以V ocm 共模电压为中心对称，差分信号的增益为Gain=R F /R G 。 具体分析：
图3 分析电路
A F 定义为开环差分增益：V OUT+-V OUT-=A F (V P -V N )，通常有A F >>1。 输入电压定义：V ID = V IN+-V IN 【1】；V IC =( V IN++V IN )/2【2】。 输出电压定义：V OD = V OUT+-V OUT-【3】；V OC =( V OUT++V OUT-)/2【4】；V OUT+-V OUT-=A F (V P -V N )【5】；V OC =V OCM 【6】。 计算节点电压有：
21
121234
3434
N IN OUT P IN OUT R R V V V R R R R R R V V V R R R R -+
+
-
=+++=+++
令3134R R R β=
+和1
212
R R R β=+，则节点V N 和V P 可表示为：
()()2211
11N IN OUT P IN OUT V V V V V V ββββ-++-=-+=-+【7、8】
由式7、8可简化出差分运放的方框图：
图4 方框图
由该图可以得出输入与输出的关系：（综合式5、7、8）
[]2112(1)(1)(1)(1)OUT F OUT F F IN IN V A V A A V V ββββ+-+-+-+=---【9】
由1~4式和6式导出：V OUT-=2V OC -V OUT+和V OC =V OCM ，结合上式有：
12112
12
1
(1)(1)2(
)12
1IN IN OCM F
OUT F F V V V A V A A βββββββ+-+---++=
++
+【10】
理想情况下有11F A β 和21F A β ，所以上式可简化为：
121
12
(1)(1)2IN IN OCM OUT V V V V βββββ+-+---+=
+【11】
同理可以得出：
12212
12
1
(1)(1)2(
)12
1IN IN OCM F
OUT F F V V V A V A A βββββββ+----+-++=
++
+【12】
简化后有：
122
12
(1)(1)2IN IN OCM OUT V V V V βββββ+----+-+=
+【13】
有此可求得：
[]121212
12
2(1)(1)2()
121IN IN OCM OD OUT OUT F F V V V V V V A A ββββββββ+-+----+-=-=
++
+【14】
简化后有：
[]121212
2(1)(1)2()
IN IN OCM OD OUT OUT V V V V V V ββββββ+-+----+-=-=
+【15】
由以上各式可以看出，差分放大器两输出的放大倍数是可以被分别控制的。 使用匹配电阻R 1=R 3，R 2=R 4，使反馈平衡，则有12βββ==，此时有：
2
1111111OUT OUT F IN IN F F V V A R V V A R A ββββββ
+-+----==⨯==-++
采用平衡反馈，保证12ββ=，以避免由V OCM 产生V OD 的偏置。