单端与差分放大器：设计、工作原理与应用
单端与差分放大器
在电路设计中，放大器复杂的内部结构常被简化为一个三角形符号。这种抽象既保持原理图清晰，又传达器件的核心功能。
符号显示两个电源引脚（+V 和 –V）以及单个输入和输出引线。因为所有信号节点都参考一个称为地的公共点，输入和输出被描绘为单根导线。在许多实际电路中，一路电源轨连接地。
一个包含信号源、负载电阻和电源的实际放大器电路如下图所示：
放大器如何工作
原理图一目了然：输入电压 V_in 被放大并驱动负载 R_load。要进行详细分析，需添加电压增益 A_V、电流增益 A_I、功率增益 A_P 以及偏置点或 Q 点。
当放大器需要输出真正的交流波形——即既能正向也能负向摆动时，必须使用分立（或双）电源。地位于正负电源轨中点，为放大器提供对称的电压参考。
以 30 V 总电源为例，分立电源产生 ±15 V 电源轨，使输出能在 +15 V 到 –15 V 之间摆动。峰峰值幅度不变，但输出现在可以跨越零点，无需额外耦合元件。
差分放大器
与单端放大器不同，差分放大器放大两个输入之间的电压差。用三角形符号表示其原理图如下：
两个输入引脚分别标记为 (–) 和 (+)，反映它们对输出的相反影响。输出引脚在右侧，电源轨在上下两侧。
对于电压增益为 4 的差分放大器，输入输出关系如下表所示：
关键要点：
- (+) 输入电压上升会推高输出。
- (–) 输入电压上升会拉低输出。
- (–) 引脚为反相输入；(+) 引脚为同相输入。
为辅助理解，工程师常将差分放大器建模为由灵敏电压表控制的可变电压源：
在此抽象中，检流计（灵敏电压表）设定输出电压，而输入信号仅影响设定。实际输出电流来自电源，而非输入信号。
极性规则
当差分电压与输入标记一致时，输出为正；极性冲突时输出为负。这类似于数字电压表显示电压的方式：红表笔视为正极。
因为差分放大器仅放大两个输入的差值，输出极性仅取决于两个输入的相对符号，而非单个输入相对于地的电平。
实际应用
差分放大器广泛用于仪表和控制系统：
- 在模拟计算机中，比较两个数学信号。
- 在过程仪表中，测量两个物理量的差异（如两个储罐的液位），差异超阈值时触发报警。
- 在反馈回路中，将过程变量与设定值比较，产生的差分信号驱动控制器（阀门、电机等）使过程保持在设定值附近。
快速回顾
- 三角形符号是放大器的简写；宽边为输入，窄边为输出。
- 分立/双电源提供 +V 和 –V 电源轨，地在中点，实现真正的交流输出。
- 大多数放大器只有一个输入和一个输出；差分放大器有两个输入和一个输出，输出与输入差值成正比。
- 差分放大器输出电压公式：
V_out = A_V (V_noninv – V_inv)。
相关练习
- 基础运算放大器练习题
工业技术