差分放大器

差分放大器是一种具有两个输入的电子放大器，其中放大了两个输入信号之间的差异。 理想情况下，不会放大对两个输入具有相同影响的输入信号。 该放大器电路用作运算放大器和比较器输入级中必不可少的基本电路，以及用于测量目的的直流电压放大器，用于对称信号传输领域和某些振荡器电路中。

差分放大器通常设计用于使用电压。 具有电压 Ue1 和 Ue2 的两个输入之间的电压差导致输出电压 Ua 的理想差分放大器，表示为等式：

U a = V d s ⋅ ( U e 1 − U e 2 )

与差动放大系数 Vds。 如果对两个输入施加相同的电压，则输出信号理想情况下为零。 对于更符合实际情况且共模抑制 (CMRR) 不是无限高的差分放大器，共模增益会产生一定比例：

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

与共模增益因子 Vc。 对于非零共模放大系数，Ue1 和 Ue2 中同样大的电压变化会导致输出电压 Ua 发生额外变化，这通常是不希望出现的。

如相邻的图所示，由双极晶体管构成的差分放大器由两个相同的晶体管 Q1 和 Q2 组成，在两个发射极处有一个公共电流源。 为了提高共模抑制，通常将该电流源设计为电流为I0的恒流源。 安装在上部区域的电流镜导致不对称输出，必须通过负载电阻在外部连接，以便能够流过输出电流 Ia。 与欧姆集电极电阻器相比，电流镜具有更大的差分放大系数的优势。

凭借完全对称的结构和零差分输入电压，输出电流理想情况下为零。 如果差分电压不为零，则输出电流是一个很好的近似值

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

与温度电压 UT。 如果两个输入电压 Ue1 和 Ue2 同向变化，则输出电流不变。 线性化后，公式简化如下：

I a = − I 0 U e 1 − U e 2 2 U T

共模抑制在很大程度上取决于电路的对称性，两个晶体管 Q1 和 Q2 的不同温度会降低它。 因此，差分放大器通常被构建为集成电路，从那时起，完整的电路可以在大致相同的温度下在普通芯片上运行。 电路的动态范围小于工作电压，因为每个晶体管需要大约 0.6V 的残余电压才能正常工作。

差分放大器可以与场效应晶体管或电子管类似地构造。 在相邻的图片中，差分放大器扩展了一个输出级（M5），你得到一个运算放大器。 这包括

• 乌因入口处的差分放大器M1/M2
• 电流镜M3/M4，这也使得差分放大器的输出不平衡。
• 一个非常简单的非平衡输出级 M5。

使用两个恒流源 I1 和 I2 代替电阻器。 所有这些措施和场效应晶体管的使用都有助于增加控制范围。

这种在集成电路技术中经常使用的简单电路被称为米勒运算放大器，因为米勒效应用于频率补偿，即用于抑制高频振荡的趋势。 由于米勒电容器，整体增益在低频时超过 10，并随着频率的增加而降低。