如何使用运算放大器作为差分放大器来查找两个电压值之间的电压差

时间：2024-12-12 21:28:17

关键字：运算放大器差分放大器反相放大器

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[导读]运算放大器最初是为模拟数学计算而开发的，从那时起，它们已被证明在许多设计应用中是有用的。正如我的教授所说，运算放大器是算术电压计算器，它们可以使用求和放大器电路对两个给定电压值进行加法运算，并使用差分放大器对两个电压值进行差分运算。除此之外，运算放大器也通常用作反相放大器和非反相放大器。

运算放大器最初是为模拟数学计算而开发的，从那时起，它们已被证明在许多设计应用中是有用的。正如我的教授所说，运算放大器是算术电压计算器，它们可以使用求和放大器电路对两个给定电压值进行加法运算，并使用差分放大器对两个电压值进行差分运算。除此之外，运算放大器也通常用作反相放大器和非反相放大器。

我们已经学习了如何使用运算放大器作为电压加法器或求和放大器，因此在本教程中，我们将学习如何使用运算放大器作为差分放大器来查找两个电压值之间的电压差。它也被称为电压减速器。我们还将在面包板上尝试电压减法器电路，并检查电路是否按预期工作。

运算放大器基础

在我们深入研究差分运算放大器之前，让我们快速浏览运算放大器的基础知识。运算放大器是一个五端设备(单封装)，有两个端子(Vs+, Vs-)为设备供电。在其余三个端子中，两个(V+, V-)用于称为反相和非反相端子的信号，其余一个(Vout)是输出端子。运算放大器的基本符号如下所示。

运算放大器的工作非常简单，它从两个引脚(V+, V-)接收不同的电压，通过增益值将其放大并将其作为输出电压(Vout)。运算放大器的增益可以非常高，使其适合音频应用。始终记住，运算放大器的输入电压应小于其工作电压。要了解更多关于运算放大器的知识，请查看其在各种基于运算放大器的电路中的应用。

对于理想运算放大器，输入阻抗将非常高，即没有电流通过输入引脚(V+, V-)流入或流出运算放大器。为了理解运放的工作原理，我们可以将运放电路大致分为开环和闭环。

运算放大器开环电路(比较器)

在开环运放电路中，输出引脚(Vout)不与任何输入引脚连接，即不提供反馈。在这种开环条件下，运算放大器起比较器的作用。一个简单的运算放大器比较器如下所示。请注意，Vout引脚没有与输入引脚V1或V2连接。

在这种情况下，如果提供给V1的电压大于V2，输出Vout将变高。同样，如果提供给V2的电压大于V1，则输出Vout将变低。

运算放大器闭环电路(放大器)

在闭环运放电路中，运放的输出引脚与任意一个输入引脚连接以提供反馈。这种反馈被称为闭环连接。在闭环期间，运算放大器作为放大器工作，在此模式下，运算放大器发现许多有用的应用，如缓冲器，电压跟随器，反相放大器，非反相放大器，求和放大器，差分放大器，电压减法器等。如果Vout引脚连接到反相终端，那么它被称为负反馈电路(如下所示)，如果它连接到非反相终端，它被称为正反馈电路。

差分放大器或电压减速器

现在让我们进入我们的主题，差分放大器。差分放大器基本上是接收两个电压值，找出这两个值之间的差值并放大它。由此产生的电压可以从输出引脚获得。一个基本的差分放大电路如下所示。

但是等等!在默认情况下，即使没有反馈，运算放大器也不就是这样做的吗?它接受两个输入，并在输出引脚上提供它们的差异。那我们为什么需要这么多漂亮的电阻呢?

是的，但是运放在开环(无反馈)中使用时将具有非常高的不受控制增益，这实际上是无用的。因此，我们使用上述设计在负反馈回路中使用电阻来设置增益值。在我们上面的电路中，电阻R3充当负反馈电阻，电阻R2和R4形成电位分压器。增益的值可以通过使用合适的电阻值来设定。

如何设置差分放大器的增益?

上述差分放大器的输出电压可由下式给出

利用叠加定理，由上述电路的传递函数得到上述公式。但我们还是不要太深入了。考虑R1=R2, R3=R4，可以进一步简化上述方程。所以我们会得到

从上面的公式我们可以得出结论，R3和R1之间的比率将等于放大器的增益。

现在，让我们替换上述电路的电阻器值，并检查电路是否按预期工作。

差分放大电路的仿真

我选择的电阻值是R1和R2的10k， R3和R4的22k。电路仿真如下图所示。

为了模拟，我为V2提供了4V， V1提供了3.6V。根据公式，电阻22k和10k将设置增益为2.2(22/10)。因此，减法将为0.4V(4-3.6)，并将其与增益值2.2相乘，因此所得电压将为0.88V，如上述仿真所示。我们用之前讨论过的公式来验证一下。

在硬件上测试差分放大电路

现在进入有趣的部分，让我们在面包板上构建相同的电路，并检查我们是否能够获得相同的结果。我使用LM324运算放大器来构建电路，并使用我们之前构建的面包板电源模块。该模块可以提供5V和3.3V输出，因此我使用5V电源轨为运放供电，3.3V电源轨作为V1。然后我使用我的RPS(稳压电源)为引脚V2提供3.7V。电压之间的差是0.4，我们有2.2的增益，这应该给我们0.88V，这正是我得到的。下图显示了设置和读数为0.88V的万用表。