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差分放大器（减法器）原理与硬件设计（CSDN填空学习版）

CSDN问答文章｜差分放大器（减法器）原理与硬件设计（填空学习版｜硬件工程师入门）

前言

差分放大器（常叫减法器），可以放大两个输入电压的差值，同时抑制两个输入端共有的共模噪声。和同相、反相放大器最大区别：有两路输入，重点提取差值，抑制共模干扰，工业里电流采样、差分传感器、4-20mA采集大量使用。下面采用填空形式学习，文末附带完整参考答案。

#但是差分放大电路是由同相和反相放大器两个一起组成#。

一、理想运放线性区前提（填空）

差分放大器同样只有工作在线性负反馈区，才可以使用虚短、虚断。

1. 虚短：V+__=__V-；两输入端电位近似相等，不是真正短路。

1. 虚断：流入运放两个输入端电流≈__0__；输入端近似开路。

二、差分放大器增益公式推导（填空）

电阻匹配条件：R1=R2，Rf=Rg
Vout=RfR1(Vin2-Vin1)

1. 差模增益Ad=__Ad=RfR1___

1. 输出电压正比于两个输入信号的__差值__。

三、共模抑制比CMRR（面试高频）

CMRR是衡量差分放大器性能的核心指标。

1. 定义：CMRR=AdAc；工程常用分贝表示：CMRR(dB)=20lgAdAc
   Ad：差模增益；Ac：共模增益。

1. CMRR数值越_大_，抑制共模干扰能力越强。

1. 单运放搭建差分放大器，CMRR主要受_电阻_匹配精度限制，不完全取决于运放芯片本身。

四、电路特性填空

1. 核心功能：放大两路输入信号的差值，抑制_共模_噪声。

1. 输出阻抗：____（很高/很低），带负载能力强。

带载能力：【运放15-短路电流代表运放的带载能力】https://www.bilibili.com/video/BV1DhXsBXEk9?vd_source=cef6db89c314d6ed1e2d3e93c2bef44f言简意赅（有仿真）的解释了运放的带载能力是指短路电流

1. 典型应用场景：_采样（分流）_电阻电流采样、差分压力传感器、4-20mA信号采集、长线差分信号接收。

1. 缺点：普通单运放差分放大器，输入阻抗____（高/低）；高内阻差分传感器，优先选用仪表放大器。

五、硬件设计&PCB注意事项（实操，打样必看）

1. 电阻选型：做精密差分采集，优先选用精密_电阻（0.1%/0.05%），保证4颗电阻比例一致；普通1%电阻CMRR会明显下降。

1. 供电：双电源±15V或单电源；单电源使用时，同相端需要增加_Vcc/2_中点偏置，防止信号削顶。

（不同运放输出的电压范围不一样，有些运放的输出电压范围是从0.7V开始的）

1. 电源引脚：运放电源脚就近放置_去耦电容_（0.1μF陶瓷去耦电容）。

1. PCB布线：两路差分输入走线尽量等长、平行，保证两路噪声耦合一致；反馈走线尽量_短_，减小寄生电容，防止自激振荡。

1. 电阻取值：不要选过大阻值，大电阻会增加热噪声，降低相位裕度，容易发生自激振荡_。

六、仿真&计算例题（填空）

电路参数：R1=R2=2kΩ，Rf=Rg=10kΩ，Vin1=1V，Vin2=1.5V

1. 差模增益 Ad =_5_

1. 输出Vout = __2.5__ V

1. 若Vin1和Vin2同时叠加0.5V共模电压，理想情况下，输出_不会_（会/不会）随0.5V共模电压变化。

七、判断题（巩固考点）

1. 差分放大器，4颗电阻比例不匹配，会降低CMRR（√）

1. 单运放差分放大器输入阻抗很高，可以直接接高内阻传感器（×）

1. CMRR越大，抑制共模干扰能力越强（√）

1. 差分输入两根走线不等长，会降低实际电路的共模抑制能力（√）

参考答案区（CSDN折叠块）

前言填空

Vin1经过电阻R1接入运放反相端，Vin2经过电阻R2接入运放同相端

一、虚短虚断

1. V+=V-；2. 电流≈0；目标是抑制共模信号

二、增益推导

Ad=RfR1；正比于两个输入信号的差值

1. CMRR（共模抑制比）；2.低

三、CMRR

1. 大；3.电阻

四、电路特性

1. 共模；2.很低；3.采样（分流）；4.低

五、硬件PCB

1. 精密；2.Vcc/2；3.去耦电容；4.短；5.自激振荡

六、例题

Ad = 10k/2k =5；Vout = 5*(1.5-1)=2.5V；输出不会随共模电压变化

七、判断题

1. √；2. ×；3. √；4. √

结尾总结

差分放大器核心记忆点：放大差值、抑制共模噪声；公式Vout=Rf/R1(Vin2-Vin1)；CMRR关键取决于4个电阻匹配精度*。
硬件实操重点：精密电阻选型、差分走线等长平行、电源就近去耦；高内阻差分信号，优先仪表放大器，而不是单运放差分放大器。

附：ASCII原理图（直接粘贴飞书文档）

元件匹配要求：R1=R2，Rf=Rg
增益公式：Vout=RfR1(Vin2-Vin1)
推荐仿真参数：R1=R2=2kΩ，Rf=Rg=10kΩ，Ad=5倍