差分放大器是模擬電路中的核心模塊，其核心功能是放大兩個輸入信號的差值（差模信號），同時抑制共模信號（如噪聲或干擾）。以下是其工作原理和基本電路形式的詳細說明。

一、差分放大器的工作原理

1. 差模信號放大

• 差模信號：兩個輸入端（Vin+ 和 Vin-）的電壓差（V_diff = Vin+ - Vin-）。

• 放大機制：差分放大器通過差分對（如雙極型晶體管或MOSFET）將差模信號轉換為電流變化，再通過負載（如電阻或電流源）將電流變化轉換為電壓輸出。

• 輸出信號：輸出電壓（Vout）與差模信號成正比，即 Vout = A_d * V_diff，其中 A_d 為差模增益。

2. 共模信號抑制

• 共模信號：兩個輸入端的平均電壓（V_cm = (Vin+ + Vin-)/2），如電源噪聲或環境干擾。

• 抑制機制：差分放大器的差分對和負載網絡設計為對稱結構，使得共模信號在兩個輸入端產生的電流變化相互抵消，從而抑制共模信號的放大。

• 共模抑制比（CMRR）：衡量差分放大器抑制共模信號的能力，定義為差模增益與共模增益之比（CMRR = A_d / A_cm）。

3. 關鍵特性

• 高輸入阻抗：減少對信號源的影響。

• 低輸出阻抗：便于驅動后續電路。

• 高共模抑制比（CMRR）：提高信號質量，抑制噪聲。

二、基本電路形式

1. 雙極型晶體管差分放大器

• 核心元件：

• 差分對：Q1 和 Q2（兩個NPN晶體管）。

• 負載電阻：Rc（集電極電阻）。

• 共模反饋電阻：Re（發射極電阻，用于穩定靜態工作點并提高共模抑制能力）。

• 工作原理：

• 差模信號：Vin+ 和 Vin- 的電壓差導致 Q1 和 Q2 的集電極電流變化相反，輸出電壓在 Rc 上產生差分信號。

• 共模信號：Vin+ 和 Vin- 的電壓相同，Q1 和 Q2 的集電極電流變化相同，輸出電壓在 Rc 上相互抵消。

2. MOSFET差分放大器

• 核心元件：

• 差分對：M1 和 M2（兩個NMOS晶體管）。

• 負載電阻：Rd（漏極電阻）。

• 源極電阻：Rs（用于穩定靜態工作點并提高共模抑制能力）。

• 工作原理：

• 差模信號：Vin+ 和 Vin- 的電壓差導致 M1 和 M2 的漏極電流變化相反，輸出電壓在 Rd 上產生差分信號。

• 共模信號：Vin+ 和 Vin- 的電壓相同，M1 和 M2 的漏極電流變化相同，輸出電壓在 Rd 上相互抵消。

3. 集成運放中的差分輸入級

• 現代集成運放（如LM741、OPA227）的輸入級通常為差分放大器，采用更復雜的結構（如電流鏡負載、共模反饋電路）以提高性能。

• 典型結構：

• 差分對：MOSFET或BJT。

• 電流鏡負載：提高增益和共模抑制能力。

• 共模反饋（CMFB）電路：穩定共模輸出電壓。

三、差分放大器的關鍵參數

四、差分放大器的應用

1. 傳感器信號調理：

• 將傳感器輸出的微弱差分信號放大，同時抑制共模噪聲（如電源噪聲、環境干擾）。

• 示例：溫度傳感器、壓力傳感器、加速度計。

2. 儀表放大器：

• 作為儀表放大器的核心部分，提供高共模抑制比和差分信號放大。

• 示例：醫療設備（心電圖、腦電圖）、工業自動化。

3. 通信系統：

• 差分信號傳輸（如RS-485、以太網PHY層），提高抗干擾能力。

• 示例：網絡通信、工業總線。

4. 音頻放大：

• 差分輸入的音頻放大器，減少電源噪聲干擾。

• 示例：專業音頻設備、耳機放大器。

五、設計注意事項

1. 元件匹配：

• 差分對（如Q1和Q2或M1和M2）的參數（如β、Vth）需嚴格匹配，以提高共模抑制能力。

2. 共模反饋：

• 在全差分放大器中，需設計共模反饋電路（CMFB）以穩定共模輸出電壓。

3. 電源噪聲抑制：

• 采用差分供電或濾波電路，減少電源噪聲對輸出的影響。

4. 頻率補償：

• 在高頻應用中，需進行頻率補償以避免振蕩。

六、總結

• 工作原理：差分放大器通過差分對放大差模信號，同時通過對稱結構和共模反饋抑制共模信號。

• 基本電路形式：包括雙極型晶體管差分放大器、MOSFET差分放大器和集成運放中的差分輸入級。

• 應用場景：傳感器信號調理、儀表放大器、通信系統、音頻放大等。

• 設計要點：元件匹配、共模反饋、電源噪聲抑制和頻率補償。

通過理解差分放大器的工作原理和基本電路形式，可以更好地設計和應用差分放大器，滿足高精度、抗干擾的信號處理需求。