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差分放大器和运算放大器的区别与运用

时间:2020/8/18 7:33:48 点击:

差分放大器就是由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成的放大器。运算放大器简称为运放,它是一种放大设备,通常在其输入输出端子之间与电容器和电阻器之类的组件一起使用,本质上是模拟设备的核心部分。在本文将对单端模式和差分放大器做一个简单介绍。

  在电路图的绘制过程中,为了便于绘制复杂的电路图,电子运算放大器通常以简单的三角形来表示,其中内部组件未单独表示。对于运放的结构与整个电路的更大功能无关的情况,这种符号看起来很方便:


运算放大器之单端模式和差分放大器知识讲解

  其中,+V和-V连接分别表示直流电源的正极和负极。输入和输出电压连接显示为单导体,因为假定所有信号电压均参考电路中称为地的公共连接。通常(但并非总是如此!),直流电源的一极(正极或负极)是该接地参考点。实际的运算放大器电路(显示输入电压源,负载电阻和电源)可能如下所示:

运算放大器之单端模式和差分放大器知识讲解

  一、运放放大器电路的功能

  无需分析运放的实际晶体管设计,您就可以轻松辨别整个电路的功能:获取输入信号(Vin),对其进行放大并驱动负载电阻(Rload)。为了完成以上示意图,为任何需要的数学分析指定该运放的增益(Av,Ai,Ap)和Q(偏置)点将是很好的。

  如果运放必须能够向负载输出真实的交流电压(极性相反),则可以使用分离的直流电源,从而使接地点在"+V"和"-V"之间电"居中"。有时将分离式电源配置称为双电源。

运算放大器之单端模式和差分放大器知识讲解

  该运算放大器的整体电压仍为30伏,但是使用分压直流电源时,负载电阻两端的输出电压现在可以从理论最大值+15伏变化为-15伏,而不是+30伏变化为0伏特这是从放大器获得真正的交流(AC)输出的简单方法,而无需在输出上采用电容或电感(变压器)耦合。该放大器的输出在截止和饱和之间的峰峰值幅度保持不变。

  二、差分放大器

  通过用三角形符号表示较大电路中的晶体管放大器,我们可以简化研究和分析更复杂的放大器和电路的任务。我们将研究的这些更复杂的放大器类型之一称为差分放大器。与普通放大器会放大单个输入信号(通常称为单端放大器)不同,差分放大器会放大两个输入信号之间的电压差。使用简化的三角形放大器符号,差分放大器如下所示:

运算放大器之单端模式和差分放大器知识讲解

  在三角形放大器符号的左侧可以看到两条输入引线,在右侧可以看到输出引线,在顶部和底部可以看到+V和-V电源引线。与其他示例一样,所有电压均参考电路的接地点。请注意,一根输入导线标有(-),另一根标有(+)。因为差分放大器会放大两个输入之间的电压差,所以每个输入都会以相反的方式影响输出电压。考虑下表中电压增益为4的差分放大器的输入/输出电压表:

运算放大器之单端模式和差分放大器知识讲解

  (+)输入上的正电压逐渐趋向于将输出电压驱动为更正,而(-)输入上的正电压日益趋向于将输出电压驱动为更负。同样,(+)输入上越来越负的电压也趋向于将输出驱动为负,而(-)输入上越来越负的电压也正相反。由于输入和极性之间的这种关系,(-)输入通常称为反相输入,而(+)通常称为同相输入。将差分放大器视为由敏感电压表控制的可变电压源可能会有所帮助,例如:

运算放大器之单端模式和差分放大器知识讲解

  需要注意的是,以上图示仅是帮助理解差分放大器行为的模型。这不是其实际设计的现实示意图。"G"符号表示振镜,是灵敏的电压表运动。连接在+V和-V之间的电位计在输出引脚(参考DC电源的一侧)提供可变电压,该可变电压由检流计的读数设置。必须理解,任何由差分放大器的输出供电的负载都将从直流电源(电池)获取电流,而不是从输入信号获取电流。输入信号(到检流计)仅控制输出。首先,这个概念可能会使刚接触放大器的学生感到困惑。由于所有这些极性和极性标记(-和+)周围,很容易造成混淆,并且不知道差分放大器的输出是什么。要解决这种潜在的混乱,请记住以下简单规则:

运算放大器之单端模式和差分放大器知识讲解

  三、输入输出极性关系

  当差分电压的极性与反相和同相输入的标记匹配时,输出将为正。当差分电压的极性与输入标记冲突时,输出将为负。这与基于输入电压极性的数字电压表显示的数学符号有些相似。电压表的红色测试导线(由于红色通常与电子线路中电源的正极相连,因此通常称为"正"导线)比黑色的正极更正,电表将显示正电压值,反之亦然:

运算放大器之单端模式和差分放大器知识讲解

  就像电压表仅显示其两条测试线之间的电压一样,理想的差分放大器仅会放大其两个输入连接之间的电位差,而不是放大其中任何一个连接与地之间的电压。就像数字电压表的带符号指示一样,差分放大器的输出极性取决于两个输入连接之间的差分电压的相对极性。

  四、差分放大器的用途

  如果此放大器的输入电压表示数学量(如模拟计算机电路中的情况)或物理过程测量(如模拟电子仪器电路中的情况),则可以看到差分放大器等设备的性能如何。很有用。我们可以使用它来比较两个量,以查看哪个量更大(根据输出电压的极性),或者我们可以比较两个量之间的差(例如,两个储罐中的液位)并标记一个警报(基于如果放大器之间的差值变得太大,则为绝对值)。在基本的自动控制电路中,将控制量(称为过程变量)与目标值(称为设定点)进行比较),并根据这两个值之间的差异来决定如何采取行动。电子控制这种方案的第一步是使用差分放大器放大过程变量和设定值之间的差异。在简单的控制器设计中,该差分放大器的输出可直接用于驱动最终控制元件(例如阀门),并使过程合理地接近设定值。

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 来源:网络
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