差分运算放大器基本知识
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差分运算放大器基本知识-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
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，Vocm=(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2
1F 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。