运算放大器最初是为模拟数学计算而开发的，从那以后到今天，它们已被证明在许多设计应用中很有用。就像我的教授正确说的那样，运算放大器是算术电压计算器，它们可以使用求和放大器电路执行两个给定电压值的加法运算，并使用差分放大器执行两个电压值之间的差。除此之外，运算放大器还通常用作反相放大器和同相放大器。
我们已经学习了如何将运算放大器用作电压加法器或求和放大器，因此在本教程中，我们将学习如何使用运算放大器作为差分放大器来查找两个电压值之间的电压差。也称为电压减法器。我们还将在面包板上尝试电压减法器电路，并检查电路是否按预期工作。
运算放大器的基础
在深入研究差分运算放大器之前，让我们快速了解一下运算放大器的基础知识。运算放大器是一种五端子设备（单个封装），带有两个用于为设备供电的端子（Vs +，Vs-）。其余三个端子中的两个（V +，V-）用于信号，称为反相和同相端子，其余一个（Vout）为输出端子。运算放大器的基本符号如下所示。
运算放大器的工作非常简单，它从两个引脚（V +，V-）接收不同的电压，将其放大一个增益值，并将其作为输出电压（Vout）。运算放大器的增益非常高，使其适合音频应用。始终记住，运算放大器的输入电压应小于其工作电压。要了解有关运算放大器的更多信息，请检查其在各种基于运算放大器的电路中的应用。
对于理想的运算放大器，输入阻抗将非常高，即没有电流会通过输入引脚（V +，V-）流入或流出运算放大器。为了理解运放的工作原理，我们可以将运放电路大致分为开环和闭环两种。
运算放大器开环电路（比较器）
在开环运算放大器电路中，输出引脚（Vout）未与任何输入引脚连接，即未提供反馈。在这种开环条件下，运算放大器充当比较器。一个简单的运算放大器比较器如下所示。请注意，Vout引脚未与输入引脚V1或V2连接。
在这种情况下，如果提供给V1的电压大于V2，则输出Vout将变高。同样，如果提供给V2的电压大于V1，则输出Vout将变为低电平。
运算放大器闭环电路（放大器）
在闭环运算放大器电路中，运算放大器的输出引脚与输入引脚中的任一个相连，以提供反馈。此反馈称为闭环连接。在闭环期间，运算放大器充当放大器，在此模式下，运算放大器可找到许多有用的应用，例如缓冲器，电压跟随器，反相放大器，同相放大器，求和放大器，差分放大器，电压减法器等。 Vout引脚连接到反相端子，则称为负反馈电路（如下所示）；如果连接到同相端子，则称为正反馈电路。
差分放大器或电压减法器
现在让我们进入差分放大器这一主题。差分放大器基本上吸收两个电压值，找到这两个值之间的差并将其放大。由此产生的电压可以从输出引脚获得。基本差分放大器电路如下所示。
但是，等等！这不是运算放大器在没有反馈的情况下默认执行的操作，它需要两个输入并在输出引脚上提供它们的差异。那为什么我们需要所有这些高档电阻呢？
是的，但是运算放大器在开环（无反馈）中使用时，将具有很高的失控增益，这实际上是没有用的。因此，我们使用上述设计在负反馈环路中使用电阻设置增益值。在我们上面的电路中，电阻器R3用作负反馈电阻，电阻器R2和R4构成一个分压器。可以通过使用正确的电阻值来设置增益值。
如何设置差分放大器的增益？
上面显示的差分放大器的输出电压可以通过以下公式给出
Vout = -V1（R3 / R1）+ V2（R4 /（R2 + R4））（（R1 + R3）/ R1）
使用叠加定理从上述电路的传递函数获得上式。但是，让我们对此不做过多介绍。我们可以通过考虑R1 = R2和R3 = R4进一步简化上述方程式。所以我们会得到
当R1 = R2和R3 = R4时，Vout =（R3 / R1）（V2-V1）
根据以上公式，我们可以得出结论，R3和R1之间的比率将等于放大器的增益。
增益= R3 / R1
现在，让我们用电阻值替代上述电路，并检查电路是否按预期工作。
差分放大器电路的仿真
我为R1和R2选择的电阻值为10k，为R3和R4选择的电阻值为22k。相同的电路仿真如下所示。
为了进行仿真，我为V2提供了4V，为V1提供了3.6V。根据公式的电阻器22k和10k将设置2.2的增益（22/10）。因此，减法将为0.4V（4-3.6），并将其与增益值2.2相乘，因此所得电压将为0.88V，如上述仿真所示。我们还使用前面讨论的公式来验证相同的内容。
当R1 = R2和R3 = R4 =（22/10）（4-3.6）=（2.2）x（0.4）= 0.88v时，Vout =（R3 / R1）（V2-V1）
在硬件上测试差分放大器电路
现在到有趣的部分，让我们实际上在面包板上构建相同的电路，并检查是否能够获得相同的结果。我正在使用LM324运算放大器来构建电路，并使用我们先前构建的面包板电源模块。该模块可以提供5V和3.3V输出，因此我使用5V电源轨为运算放大器供电，而3.3V电源轨则作为V1供电。然后，我使用我的RPS（稳压电源）为引脚V2提供3.7V。电压之间的差为0.4，我们有2.2的增益，应该给我们0.88V，这正是我得到的。下图显示了设置和万用表，其读数为0.88V。
这证明我们对差分运算放大器的理解是正确的，现在我们知道如何根据所需的增益值自行设计一个。完整的工作原理也可以在下面的视频中找到。这些电路更常用于音量控制应用中。
但是，由于该电路在输入电压侧（V1和V2）具有电阻，因此它无法提供很高的输入阻抗，而且还具有较高的共模增益，从而导致较低的CMRR比。为了克服这些缺点，存在一种简化版本的差分放大器，称为仪表放大器，但让我们将其留给另一篇教程。
希望您理解本教程并喜欢学习差分放大器。如果您有任何疑问，请将其留在评论部分或使用论坛中的其他技术问题和更快的响应。