差分运算放大电路，对共模信号得到有效抑制，而只对差分信号进行放大，因而得到广泛的应用。

1、如下图是差分电路的电路构型

目标处理电压：是采集处理电压，比如在系统中像母线电压的采集处理，还有像交流电压的采集处理等。

差分同相/反相分压电阻：为了得到适合运放处理的电压，需要将高压信号进行分压处理，如图中V1与V2两端的电压经过分压处理，最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。

差分放大电路：

①反馈，对于运算放大电路来说，运放工作在线性区，所以这里一定是负反馈，没有反馈(开环)或者是正反馈，那是比较器电路而不是放大电路，这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区，正因为饱和，输出才是电源电压的幅值。

如下图是一种带正反馈的运放电路，这里就不能叫运算放大电路了，因为运放的开环放大倍数理想是无限大，当然实际中不可能无限大，所以如下结构是迟滞电压比较器，运放工作在非线性区或饱和区。

如下图，依然是电压比较器结构，上面已经提到，运放开环增益很大，不带负反馈，工作就如非线性区，当做电压比较器来使用。

运算放大器，反馈电阻从输出接到反相端"-"就是负反馈，当然在输出信号不超过电源电压时(注：一切信号的能量来源是电源，输出当然不可能超过电源幅值)，实现的功能就是放大信号的功能；接到同相端"+"就是正反馈，电路功能是电压比较器。当然在实际当中我们并不提倡用运放去做电压比较器，而是选用专用的比较器，如LM339、LM393、LM211等，因为比较器和运放在实际当中内部器件的工作状态还是有区别的。

比较器接了限流电阻—"R74、R77"，这是因为比较器在幅值切换时，快速上升或下降沿对后级容性负载进行充放电，这个充放电电流确来自这个有源器件—比较器，因此加限流电阻目的是防止电流冲击。

RC滤波：可以酌情调节，目的是防止输出过冲等信号失真问题

2差分输入电压的计算

如下电路，为了便于计算，我们给定每个阻值，差分电路的另一个特点是对称性，R40=R56以及R47=R55，差分分压两个之路电阻也是相等的。

Vin+和Vin-的值是如何计算的，我们先通过繁琐的计算来得到，然后再简化计算

首先，运放的同相端5引脚和反相端6引脚，利用"虚短"得到，其中系数6是指6个100k的电阻，方便简化式子

那么通过分压关系得到Vin+

再次通过分压关系得到Vin-

那么就得到Vin+ - Vin-的值

其实还有一种简单方法得到Vin+ - Vin-的值，利用运放的虚短特点，可将电路等效为

所以要计算Vin+ -Vin-的值，变得很容易，只是一个简单的分压电路而已，如下计算得到

得到差分电压输入值是0.84V

3差分放大电路的计算

计算公式推导，依旧遵循运放的虚短和虚断特性，当R56=R40，R47=R55时，差分计算可以简化为：

实际应用电路中，我们为了简化计算，也是用最简方法计算，经常使用电路也是使用上述电路，令电阻相等关系，简化计算。

4放大电路的"偏移计算"

为什么要对输出电压进行偏移，这是因为如当你采集负值时，我们的采样芯片和MCU几乎都不支持负值采样的时候，你就必须进行偏移，使得输出总是为正值。

偏移电路，如下图，在原来同相端电阻接地GND的地方，我们接一个电压值，通常也称为偏移电压，那么最终表达式是什么。

通过叠加定理最终得到

这里公式的成立，保证R64=R72，R73=R57，那么最终得到偏移公式是在原来基础上加个电压偏移量2.5V_Ref

只要根据实际应用选择合适的偏移量，输出总会为一个正值

比如，如下电路，输入电压变为-100V，那么最终输出电压就为

这样就将负电压偏移为正电压，处理器符合处理器处理要求了，偏移电路在采集如交流电、以及存在负直流电压的控制电路中广泛使用。

1、什么是差分信号？为什么要用差分信号？

两个芯片要通信，我们把它们用一根导线连接起来，一个传输 1，另一个接受 1，一个传输 0，另一个接受 0，不是很好吗？为什么还要搞其他的花花肠子。

因为有干扰，各种各样的干扰，比如温度，电磁辐射等等，这些干扰使得传输的 1 不再是理想的 1，传输的 0 也不再是理想的 0，但是这些干扰几乎都有一个共同的特点，就是它对这条导线的干扰和它对这条导线附近导线的干扰是一样的。

利用这个特点，我们用两个导线传输信号，一条导线传输我们要传输的信号 1010，另一条导线传输和他相反的信号 0101，在接收端，我们把这两个信号做差，那么就会接收到 1 -1 1 -1 这样的信号，再通过电平转换或其他的手段就可以恢复出 1010 这个我们要传输的信号。干扰在做差的过程中被消除掉了。

2、差分放大电路基本结构

所有的电子元器件的特性都会受到温度的影响，其中半导体材料受到影响的程度最大。对于 PN 结来说，温度系数为 -2.5mV/°C，表示温度每升高 1°C，二极管或三极管的管压降就会降低 2.5mV，可以想象，温度高到一定程度的时候，二极管的正向导通反向截止的特性也就不存在了，所有的半导体都无法正常工作了。

在共射放大电路中，电路基础：Lec16- 共射放大电路的设计，温度的变化会产生三极管基极和发射极之间电压的变化△Ube，这种现象成为“温漂”。

利用差分信号的思想，我们建立上面电路图，输入端(Ui1-Ui2)，输出端(Uo1-Uo2)，就可以解决温漂的问题。温漂干扰在做差的过程中被消除掉了。

3、长尾式差分电路

一个更实用的设计是采用长尾式差分电路，如图所示，这个电路可就厉害了，它可以

单端输入，单端输出，放大倍数是普通共射放大电路的 1/2 倍。单端输入，差分输出，放大倍数是普通共射放大电路的 1 倍。差分输入，单端输出，放大倍数是普通共射放大电路的 1。差分输入，差分输出，放大倍数是普通共射放大电路的 2。这个电路之所以强大，是因为当温度变化时，产生了△Ube，但是它通过引入一个恒流源补偿△Ube，从而使 Re 两端的电压保持不变，这样流过 Re 的电流也不变，导出流过 Rc 的电流不变，最终输出的 Vo 不变。

其中，ui 表示输入信号，ube 表示三极管基极和集电极之间的电压差，它是温度的函数。现在我们只考虑温漂，ui 保持不变。只看温度变化对输出的影响。对这个式子两端求导可得下式，这个式子表明温漂引起的△Ube 会被△Ve 所补偿。

长尾式差分电路的仿真结果如下，从结果可以看出当单端信号输入时，单端输出的放大倍数是普通共射放大电路的 1/2。放大倍数可以利用公式 1 对 Ui 求导推出，这里不再推导。

4. 差分电路的作用

差分放大电路对共模输入信号有很强的抑制能力，对差模信号却没有多大的影响，因此差分放大电路一般做集成运算的输入级和中间级，可以抑制由外界条件的变化带给电路的影响，如温度噪声等。你可以去找一些集成电路看一下，第一级基本上都是差分放大。

5. 差分放大电路应用

电路一：

用运放做电流采样，再用单片机 AD 采集处理。

注：

1、Rp10、Rp11、Cp8、Cp9，是对输入做的 RC 滤波，后面的 Rp15 和 Cp11 是对输出做的 RC 滤波。

2、Rp16 是为了防止运放输出不够低的现象，电阻的阻值不宜过大过小，根据运放的阻抗选择。

3、Dp6 是为了防止输出端电压过高，烧坏 CPU 的 IO 口。

4、Rp12=Rp13，Rp14=R10。Vout=Rp14/Rp12*(Vin+-Vin-)。

注：

差分放大电路不再说了，这个电路是为了避免运放到了输出低端非线性的问题。

Vout=Rc9/Rc8*(Vin+-Vin-)+基准电压值。具体的计算过于复杂，不再说明。