差分放大器应用电路及典型特性详解

差分放大电路也称为差分电路，它不仅能有效放大交流信号，还能有效降低电源波动和晶体管温度变化引起的零漂，因此得到了广泛的应用。尤其在集成运放电路中应用广泛，常作为多级放大器的前级。

在本文中，小编将从实际生产设计出发，从而介绍差分放大电路分立电阻、滤波、交流 共模抑制、噪声增益高等相关特点。

经典四电阻差分放大器

下图显示了经典的四电阻差分放大器非常有用：

该放大器的传递函数为 ：

如果R1=R3且R2=R4，则方程1可以简化为：

这种简化的理论可行，但在现实中却无法做到。因为电阻永远不可能完全相等。此外，基本电路的其它变化也可能产生意想不到的行为。下面的例子虽然是为了说明问题的本质而进行了简化，但它是从实际应用问题中衍生出来的。

共模抑制比

差分放大器一个重要功能是抑制两个输入端的共模信号。如下图所示，假设V2为5V，V1为3V，则共模输入为4V。V2比共模电压高1V ，V1比共模电压低1V。两者之间的差值为2V，因此R2/R1的“理想”增益适用于2V。

如果电阻不理想，部分共模电压会被差分放大器放大，以V1和V2之间的有效 电压差的形式出现在VOUT上，无法与真实信号区分开来。差分放大器抑制这部分电压的能力称为共模抑制  （CMR）。该参数可以表示为比率 (CMRR) 或转换为分贝 (dB)。

Ramón Pallás-Areny和John Webster在1991年发表的一篇文章中指出，假设运放是理想运放，共模抑制可表示为：

其中，Ad为差分放大器的增益，t为电阻容差。所以有：

• 在单位增益和1%电阻的情况下，CMRR等于50V/V（或约34dB）
• 在0.1%电阻的情况下，CMRR等于500V/V（或约54dB）

甚至假设运算放大器是具有无限共模抑制的理想器件。

如果运算放大器的共模抑制足够高，则总CMRR会受到电阻匹配的限制。一些低成本运算放大器的最小CMRR为60dB至70dB，这使得计算更加复杂。

低耐受性

低耐受性是一个次优设计，该设计是使用OP291的低端电流检测应用。R1至R4是分立的0.5%电阻。根据Pallás-Areny文章中的公式，最佳CMR为64dB。

幸运的是，共模电压非常接近地，因此CMR不是该应用中的主要误差源。容差为1%的电流检测电阻将产生1%的误差，但初始容差可以校准或调整。然而，由于工作范围超过80°C，因此必须考虑电阻温度系数。

对于极低的分流电阻值，应使用开尔文4线电阻测量。使用高精度0.1Ω电阻，直接将电阻与零点几英寸的PCB走线连接，很容易就会增加10mΩ，导致误差超过10%。但误差会更大，因为PCB上铜走线的温度系数超过3000ppm。

必须仔细选择分流电阻值。值越高，产生的信号越大。这是一件好事，但功耗（I2R）也会增加，可能达到几瓦。值越小（mΩ级），线路和PCB走线的寄生电阻可能会导致较大的误差。一般来说，开尔文检测可以用来减少这些误差。

我们可以使用特殊的四端电阻（例如Ohmite LVK系列）或优化PCB布局以使用标准电阻。如果该值非常小，可以使用PCB走线，但这不会很准确。

商用四端电阻器（例如Ohmite或 Vishay的产品）可能要花费几美元或更多才能提供0.1%的容差和极低的温度系数。完整的误差预算分析可以展示如何以最小的成本增加来提高准确性。

关于大偏移（31mV）且没有电流流过检测电阻的问题，这是由于“轨到轨”运算放大器无法一直摆动到负电源轨（接地）而引起的。

然而，术语“轨到轨”可能会产生误导：输出将接近电源轨（比经典射极跟随器的输出级更近），但实际上永远不会到达电源轨。轨到轨运算放大器有一个最小输出电压VOL，它等于VCE(SAT)或RDS(ON) × ILOAD。

如果失调电压等于1.25mV 并且噪声增益等于30，则输出等于：1.25mV×30=±37.5mV（由于VOS和VOL的存在而为35mV）。根据VOS的极性，无负载电流时输出可能高达72.5mV。

如果VOS的最大值为30μV，VOL的最大值为8mV，现代零漂移放大器（例如AD8539）可以将总误差降低到主要由检测电阻引起的水平。

低端检测应用

另一个示例如下图所示，该示例具有低噪声增益，但它使用具有3mV失调、10μV/°C失调漂移和79dB  CMR的低精度四通道运算放大器，并且在0A至3.6A，需要±5mA的精度。如果使用±0.5%的检测电阻，则无法达到所需的±0.14%的精度。如果使用100mΩ电阻，±5mA电流可产生±500μV压降。

不幸的是，运算放大器的失调电压随温度的变化比测量值大十倍。即使VOS调整为零，50°C的温度变化也会耗尽整个误差预算。如果噪声增益为13，则VOS的任何变化都将扩大13倍。为了提高性能，应使用零漂移运算放大器（例如AD8638、ADA4051或ADA4528）、薄膜电阻阵列和更高精度的检测电阻。

高噪声增益电路

下图的设计用于测量高侧电流，其噪声增益为250。OP07C运算放大器的最大VOS额定值为150μV。最大误差为150 μV×250=37.5mV。为了提高性能，采用了ADA4638零漂移运算放大器。该器件在-40°C至+125°C的温度范围内具有12.5μV的标称失调电压。

然而，由于高噪声增益，共模电压将非常接近检测电阻器两端的电压。OP07C的输入电压范围（IVR）为2V，这意味着输入电压必须至少比正轨低2V。对于ADA4638，IVR=3V。

单电容滚降

下图的示例稍微复杂一些。到目前为止，所有方程都是针对电阻的。但这比他们应考虑的阻抗更准确。在添加电容的情况下（无论是故意添加电容还是寄生电容），AC CMRR取决于目标频率下的阻抗比。要降低本例中的频率响应，可以在反馈电阻器两端添加一个电容器C2，就像在反相运算放大器配置中通常所做的那样。

如果需要匹配阻抗比Z1=Z3和Z2=Z4，则必须添加电容C4。市场上很容易买到0.1%或更好的电阻，但即使是0.5%的电容器也要花费1美元以上。极低频率下的阻抗可能并不重要，但由于PCB布局而导致的电容容差或两个运算放大器输入之间0.5pF的差异可能会导致AC  CMR在10kHz时下降6dB。当使用开关稳压器时，这一点尤其重要。

单芯片差分放大器（例如AD8271、AD8274或AD8276）具有更好的AC CMRR性能。因为运算放大器的两个输入处于芯片上的受控环境中，而且价格通常比分立运算放大器和四个精密电阻便宜。

运放输入端间电容

为了滚降差分放大器的响应，一些设计者会尝试在两个运放输入之间添加一个电容器C1， 以形成差分滤波器，如下图所示。

这对于仪表放大器是可行的，但对于运算放大器是不可行的。VOUT将通过R2上下移动，形成闭环。在直流电压下，这不会导致任何问题，并且电路的行为如上面公式2所示。

随着频率增加，C1的电抗减小。运放输入端的反馈减少，导致增益增加。最终，由于电容器使输入短路，运算放大器将工作在开环状态。

在波特图上，运算放大器的开环增益以-20dB/dec下降，但噪声增益以+20dB/dec增加，形成-40dB/dec交叉。众所周知，它必定会振荡。一般来说，不要在运算放大器的输入之间使用电容器（极少数情况除外，这里不讨论了）。

总结

无论是分立式还是单片式，四电阻差分放大器的应用都非常广泛。为了获得稳定且适合生产的设计，应仔细考虑噪声增益、输入电压范围、阻抗比和失调电压规格。

常问问题

差分放大电路有什么作用？

答：减少零漂。

差分放大电路常用作什么用途？

答：多级放大器。

差分放大器的重要功能之一是什么？

答：抑制两个输入的共模信号。