差分放大器的基本工作原理是怎样的？

差分放大器

差分放大器是能把两个输入电压的差值加以放大的电路。能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也称差动放大器。这是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。

它可以是平衡(术语"平衡"意味着差分)输入和输出，也可以是单端(非平衡)输入和输出，常用来实现平衡与不平衡电路的相互转换，是各种集成电路的一种基本单元。

工作原理

虽然运放电路为典型的双端输入、单端输出的三端器件，但上文所述多为单端应用(即一端用于信号输入，一端接地)，由此可以看出任一信号回路的两端特性，一端接地，一端即信号。就同相放大器而言，信号输入同相端，反相器必有接地回路;就反相放大器而言，信号从反相输入端进入，则同相端即为接地端。由接地回路的不同，甚至也可以判断放大器类型为同相放大器亦或反相放大器。

如果有两路输入信号，分别从两个输入端同时输入，即双端输入，单端输出的工作模式，即为差分放大器(亦名减法器)。

差分放大器的特点

(1)对单电源供电的放大器电路，其输出端(即Q1\Q2的C极)静态工作点为1/2Vcc最为适宜，能保障其最大动态输出范围。只要RC1、RB1等偏置元件取值合适，则可使UC1、UC2的静态电压为2.5V，即静态差分输出电压2.5V-2.5V=0V;

(2)电路设计尽可能使Q1、Q2的静态工作参数一致，二者构成“镜像”电路，RE为电流负反馈电阻，其直流电阻小，动态电阻极大(流过的电流近乎恒定)，以提升电路的差分性能。

(3)当IN+=IN-时，或者二者信号电压同步升降时，OUT+、OUT-端电压也在同步升降，且升、降幅度相等，其输差分输出值仍会为0V。如二路输入信号在静态基础上产生了Q1、Q2基极电流的同样增量，则集电极电压会产生下降，如由2.5V降低为1.5V时，则UC1-UC2=1.5V-1.5V=0V，这说明电路对共模输入信号不予理会，具备优良的抗干扰性能。

众所周知，RS485通讯电路，就是利用差分总线传输方式，产生了强有力的抗干扰效果。

(4)当IN+、IN-输入信号在静态基础上有相对变化，即IN+-IN-≠0时，如IN+输入电压往正方向变化时，OUT-会往负方向变化(同时OUT+会往正方向变化)，使得两个输出端反向偏离2.5V产生了信号输出。当OUT-为1.5V，OUT+为3.5V时，此时使产生了2V的信号电压输出。

功率放大器，简称功放，用于增强信号功率以驱动音箱发声的一种电子装置。不带信号源选择、音量控制等附属功能的功率放大器称为后级。

前置放大器 ，功放之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度，提供输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。前置放大器也称为前级。

前置放大器的作用是将激光唱机、电唱盘、磁带卡座、调谐器等送来的信号进行各种处理与放大，以便为功率放大器准备适宜的电信号，同时它可具有音量调节、音调调节等功能。功率放大器的作用是将前置放大器送来的信号，放大到足够推动相应扬声器所需的功率。

功率放大器的分类

功率放大器电路的划分主要是由功放级输出电路形式来决定，常见的音频功率放大器主要有下列几种：

(1) 变压器耦合甲类放大器电路主要用于电子管放大器中;

(2)变压器耦合推挽功率放大器电路主要用于一些输出功率较大的电子管放大器中;

(3)OTL功率放大器电路主要用于一些输出功率较小的放大器中;

(4)OCL功率放大器是一种常用的放大器电路，常用于一些输出功率要求较大的功率放大器中;

(5)BTL功率放大器电路主要用于一些要求输出功率更大的场合。 OTL、OCL和BTL功率放大器电路主要用于晶体管放大器中。

传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：

(1)数字语音数据到模拟语音信号的变换(利用高精度数模转换器DAC)实现;

(2)利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。

A类放大器：

A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，效率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。由于效率比较低。

B类放大器：

B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波;同理，当Vi为负半波正弦波，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是“交越失真”较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时，Q1、Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

AB类放大器：

AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

D类放大器：

D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成。D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

优点：

(1)具有很高的效率，通常能够达到85%以上;

(2)体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间;

(3)无裂噪声接通;

(4)低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。

差动放大电路也称差分放大电路，是一种对零点漂移具有很强抑制能力的基本放大电路。差动放大原理电路如图Z0501所示。它由两个对称的共射极基本放大电路组成：其中，T1、T2是两个特性完全相同的晶体管、Rb1=Rb2、Rc1 = Rc2、Rs1=Rs2。这种理想的对称结构在当前集成电路工艺方面是基本上可以接近的。图示电路中，信号从两管的基极输入，从两管的集电极输出，这种连接方式称为双端输入-双端输出方式。

由图可见，当输入端短路时，输出电压为：

UO = UC1 - UC2 = (Ec - IC1RC1)- (Ec - IC2RC2)= (IC2 - IC1)RC

由于电路对称，IC1 = IC2，则输出电压等于零。

当温度变化时，因两管电流变化规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也就是说，依靠电路的完全对称性，使两管的零点漂移在输出端相抵消，因此，零点漂移被抑制。

图所示电路仅是差动放大电路的雏型，它还存在许多问题，不能作为实用电路。其原因是：(1)要做到电路完全对称，是十分困难的，甚至是不可能的;(2)若需要从某个管子集电极输出(单端输出)时，则输出零点漂移仍然很大;(3)单端输出漂移大，会影响下一级直流工作状态。

基本差动放大电路如图Z0502所示。它是在图Z0501电路的基础之上增加了一个公共的发射极电阻Re。图中Rw为调零电位器，调整它可以使IC1 = IC2 。辅助电源 - Ec 的作用是补偿Re上的直流压降，以保证管子有合适的静态工作点。此外，采用双电源供电，可以使UB1=UB2≈0，从而使电路既能适应正极性输入信号，也能适应负极性输入信号，扩大了应用范围。

差分放大器的工作原理

差分放大器也叫差动放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，有时简称为“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器(简称“功放”)和发射极耦合逻辑电路 (ECL, Emitter Coupled Logic) 的输入级。

如果Q1 Q2的特性很相似，则Va,Vb将同样变化。例如，Va变化+1V，Vb也变化+1V，因为输出电压VOUT=Va-Vb=0V,即Va的变化与Vb的变化相互抵消。这就是差动放大器可以作直流信号放大的原因。 若差放的两个输入为

，则它的输出Vout为：

其中Ad是差模增益 (differenTIal-mode gain)，Ac是共模增益 (common-mode gain)。

因此为了提高信/噪比，应提高差动放大倍数，降低共模放大倍数。二者之比称做共模仰制比(CMRR, common-mode rejecTIon raTIo)。共模放大倍数AC可用下式求出：

Ac=2Rl/2Re

通常以差模增益和共模增益的比值共模抑制比 (CMRR, common-mode rejecTIon ratio) 衡量差分放大器消除共模信号的能力：

由上式可知，当共模增益Ac→0时，CMRR→∞。Re越大，Ac就越低，因此共模抑制比也就越大。因此对于完全对称的差分放大器来说，其Ac = 0，故输出电压可以表示为：

所谓共模放大倍数，就是Va，Vb输入相同信号时的放大倍数。如果共模放大倍数为0，则输入噪声对输出没有影响。

要减小共模放大倍数，加大RE就行通常使用内阻大的恒流电路来带替RE

差分放大器是普通的单端输入放大器的一种推广，只要将差放的一个输入端接地，即可得到单端输入的放大器。很多系统在差分放大器的一个输入端输入反馈信号，另一个输入端输入反馈信号，从而实现负反馈。常用于电机或者伺服电机控制，稳压电源，测量仪器以及信号放大。在离散电子学中，实现差分放大器的一个常用手段是差动放大，见于多数运算放大器集成电路中的差分电路。

单端输出的差动放大电路 (不平衡输出)

称为单端Single ended或不平衡输出Unbalance Output。

单端较差动输出之幅度小一倍，使用单端输出时，共模讯号不能被抑制，因Vi1与Vi2同时增加，VC1与VC2则减少，而且VC1=VC2，但Vo =VC2，并非于零(产生零点漂移)。

但是加大RE阻值可以增大负回输而抑制输出，并且抑制共模讯号，因Vi1=Vi2时，

Ii1及Ii2也同时增加，IE亦上升而令VE升高，这对Q1和Q2产生负回输，

令Q1和Q2之增益减少，即Vo减少。

当差动讯号输入时，Vi1 = -Vi2，IC1增加而IC2减少，总电流IE = IC1 + IC2便不变，

因此VE也不变，加大RE电阻值之电路会将差动讯号放大，不会对Q1及Q2产生负回输

及抑制。

。

b)减低功率消耗(相对纯电阻来说)。

c)提高差动放大之输出电压。

d)提高共模抑制比CMRR。

即差动输入，则IC1升而IC2下降(并且，ΔIC1 = ΔIC2)

因电流镜像原理，IC4 = IC1

故此，Io = IC4 IC2 = IC1 IC2 (ΔIo = 2ΔIC1或2ΔIC2)

这说明了输出电流是IC1和IC2的相差，即将输出变为具有双端差动输出性能的单端输出 (故对共模讯号之抑制有改善因双端差动输出才能产生消除共模讯号作用)。

IC2减少使Q2之VCE增加，使Vo上升而IC4增加，使Q4之VCE减少，这也是使Vo增加，

故此，Vo上升之幅度是使用电阻为负载之单端输出电压大一倍。