差分放大器

差分放大器是一種具有兩個輸入的電子放大器，其中放大了兩個輸入信號之間的差異。 理想情況下，不會放大對兩個輸入具有相同影響的輸入信號。 該放大器電路用作運算放大器和比較器輸入級中必不可少的基本電路，以及用于測量目的的直流電壓放大器，用于對稱信號傳輸領域和某些振蕩器電路中。

差分放大器通常設計用于使用電壓。 具有電壓 Ue1 和 Ue2 的兩個輸入之間的電壓差導致輸出電壓 Ua 的理想差分放大器，表示為等式：

U a = V d s ? ( U e 1 ? U e 2 )

與差動放大系數 Vds。 如果對兩個輸入施加相同的電壓，則輸出信號理想情況下為零。 對于更符合實際情況且共模抑制 (CMRR) 不是無限高的差分放大器，共模增益會產生一定比例：

U a = V d s ? ( U e 1 ? U e 2 ) + V c ? ( U e 1 + U e 2 2 )

與共模增益因子 Vc。 對于非零共模放大系數，Ue1 和 Ue2 中同樣大的電壓變化會導致輸出電壓 Ua 發生額外變化，這通常是不希望出現的。

如相鄰的圖所示，由雙極晶體管構成的差分放大器由兩個相同的晶體管 Q1 和 Q2 組成，在兩個發射極處有一個公共電流源。 為了提高共模抑制，通常將該電流源設計為電流為I0的恒流源。 安裝在上部區域的電流鏡導致不對稱輸出，必須通過負載電阻在外部連接，以便能夠流過輸出電流 Ia。 與歐姆集電極電阻器相比，電流鏡具有更大的差分放大系數的優勢。

憑借完全對稱的結構和零差分輸入電壓，輸出電流理想情況下為零。 如果差分電壓不為零，則輸出電流是一個很好的近似值

I a = I C 1 ? I C 2 ≈ ? I 0 tanh ? ( U e 1 ? U e 2 2 U T )

與溫度電壓 UT。 如果兩個輸入電壓 Ue1 和 Ue2 同向變化，則輸出電流不變。 線性化后，公式簡化如下：

I a = ? I 0 U e 1 ? U e 2 2 U T

共模抑制在很大程度上取決于電路的對稱性，兩個晶體管 Q1 和 Q2 的不同溫度會降低它。 因此，差分放大器通常被構建為集成電路，從那時起，完整的電路可以在大致相同的溫度下在普通芯片上運行。 電路的動態范圍小于工作電壓，因為每個晶體管需要大約 0.6V 的殘余電壓才能正常工作。

差分放大器可以與場效應晶體管或電子管類似地構造。 在相鄰的圖片中，差分放大器擴展了一個輸出級（M5），你得到一個運算放大器。 這包括

• 烏因入口處的差分放大器M1/M2
• 電流鏡M3/M4，這也使得差分放大器的輸出不平衡。
• 一個非常簡單的非平衡輸出級 M5。

使用兩個恒流源 I1 和 I2 代替電阻器。 所有這些措施和場效應晶體管的使用都有助于增加控制范圍。

這種在集成電路技術中經常使用的簡單電路被稱為米勒運算放大器，因為米勒效應用于頻率補償，即用于抑制高頻振蕩的趨勢。 由于米勒電容器，整體增益在低頻時超過 10，并隨著頻率的增加而降低。