3.2 差动放大器

3.2.1 基本差动放大器

差动放大器的出现是为了解决直接耦合放大电路存在的零点漂移问题，另外差动放大器还具有灵活的输入输出方式。 基本差动放大电路如图3-4所示。

差动放大电路在电路结构上具有对称性，晶体管VT ₁ 、VT ₂ 同型号， R ₁ = R ₂ ， R ₃ = R ₄ ， R ₅ = R ₆ ， R ₇ = R ₈ 。输入信号电压 U _i 经 R ₃ 、 R ₄ 分别加到VT ₁ 、VT ₂ 的基极，输出信号电压 U _o 从VT ₁ 、VT ₂ 集电极之间取出， U _o = U _c1 -U _c2 。

1.抑制零点漂移原理

当无输入信号（即 U _i =0）时，由于电路的对称性，VT ₁ 、VT ₂ 的基极电流 I _b1 = I _b2 ， I _c1 = I _c2 ，所以 U _c1 = U _c2 ，输出电压 U _o = U _c1 -U _c2 =0。

当环境温度上升时，VT ₁ 、VT ₂ 的集电极电流 I _c1 、 I _c2 都会增大， U _c1 、 U _c2 都会下降，但因为电路是对称的（两个晶体管同型号，并且它们各自对应的供电电阻阻值也相等），所以 I _c1 、 I _c2 的增大量是相同的， U _c1 、 U _c2 的下降量也是相同的，因此 U _c1 、 U _c2 还是相等的，故输出电压 U _o = U _c1 -U _c2 =0。

也就是说， 当差动放大电路的工作点发生变化时，由于电路的对称性，两电路的变化相同，故输出电压不会变化，从而有效抑制了零点漂移。

2.差模输入与差模放大倍数

当给差动电路输入信号电压 U _i 时， U _i 加到 R ₁ 、 R ₂ 的两端，因为 R ₁ = R ₂ ，所以 R ₁ 两端的电压 U _i1 与 R ₂ 两端的电压 U _i2 相等，并且 U _i1 = U _i2 =（1/2） U _i 。当 U _i 信号正半周期来时， U _i 电压极性为上正下负， U _i1 、 U _i2 两电压的极性都是上正下负， U _i1 的上正电压经 R ₃ 加到VT ₁ 的基极， U _i2 的下负电压经 R ₄ 加到VT ₂ 的基极。这种 大小相等、极性相反的两个输入信号称为差模信号；差模信号加到电路两个输入端的输入方式称为差模输入。

以 U _i 信号正半周期来时为例： U _i1 上正的电压加到VT ₁ 基极，电压 U _b1 上升，电流 I _b1 增大，电流 I _c1 增大，电压 U _c1 下降； U _i2 下负的电压加到VT ₂ 基极时，电压 U _b2 下降，电流 I _b1 减小，电流 I _c2 减小，电压 U _c2 增大；电路的输出电压 U _o = U _c1 -U _c2 ，因为 U _c1 < U _c2 ，故 U _o <0，即当输入信号 U _i 为正值（正半周期）时，输出电压为负值（负半周期），输入信号 U _i 与输出信号 U _o 是反相关系。

差动放大电路在差模输入时的放大倍数称为差模放大倍数 A _d ，即

另外，根据推导计算可知：上述 差动放大电路的差模放大倍数 A _d 与单管放大电路的放大倍数 A 相等，差动放大电路多采用了一个晶体管并不能提高电路的放大倍数，而只是用来抑制零点漂移。

3.共模输入与共模放大倍数

图3-5所示为另一种共模输入的差动放大电路。

在图3-5中，输入信号 U _i 一路经 R ₃ 加到VT ₁ 的基极，另一路经 R ₄ 加到VT ₂ 的基极，送到VT ₁ 、VT ₂ 基极的信号电压大小相等、极性相反。这种 大小相等、极性相同的两个输入信号称为共模信号；共模信号加到电路两个输入端的输入方式称为共模输入。

以 U _i 信号正半周期输入为例： U _i 电压极性是上正下负，该电压一路经 R ₃ 加到VT ₁ 的基极，电压 U _b1 上升，电流 I _b1 增大，电流 I _c1 增大，电压 U _c1 下降；电压 U _i 另一路经 R ₄ 加到VT ₂ 的基极，电压 U _b2 上升，电流 I _b2 增大，电流 I _c2 增大，电压 U _c2 下降；因为 U _c1 、 U _c2 都下降，并且下降量相同，所以输出电压 U _o = U _c1 -U _c2 =0。也就是说，差动放大电路在输入共模信号时，输出信号为0V。

差动放大电路在共模输入时的放大倍数称为共模放大倍数 A _c ， 即

由于差动放大电路在共模输入时，不管输入信号 U _i 是多少，输出信号 U _o 始终为0V，故共模放大倍数 A _c =0。差动放大电路中的零点漂移就相当于共模信号输入，比如当温度上升时，引起VT ₁ 、VT ₂ 的电流 I _b 、 I _c 增大，就相当于正的共模信号加到VT ₁ 、VT ₂ 基极使电流 I _b 、 I _c 增大一样，但输出电压为0V。实际上，差动放大电路不可能完全对称，这使得两个电路的变化量就不完全一样，输出电压就不会为0V，共模放大倍数就不为0。

共模放大倍数的大小可以反映差动放大电路的对称程度，共模放大倍数越小，说明对称程度越高，抑制零点漂移的效果越好。

4.共模抑制比

一个性能良好的差动放大电路，应该对差模信号有很高的放大能力，而对共模信号有足够的抑制能力。为了衡量差动放大电路这两个能力的大小，常采用共模抑制比 K _CMR 来表示。 共模抑制比是指差动放大电路的差模放大倍数 A _d 与共模放大倍数 A _c 的比值， 即

共模抑制比越大，说明差动放大电路的差模信号放大能力越大，共模信号放大能力越小，抑制零点漂移能力越强，较好的差动放大电路共模抑制比可达到10 ⁷ 。

3.2.2 实用的差动放大器

基本差动放大电路的元件参数不可能完全对称，所以电路仍有零点漂移存在，为了尽量减少零点漂移，可以对基本差动放大电路进行改进。下面介绍几种改进的实用差动放大电路。

1.带调零电位器的长尾式差动放大电路

带调零电位器的长尾式差动放大电路如图3-6所示。这种差动放大电路中的晶体管VT ₁ 、VT ₂ 的发射极不是直接接地，而是通过电位器RP ₁ 、 R _e 接负电源。

（1）调零电位器RP ₁ 的作用

由于差动放大电路不可能完全对称，所以晶体管VT ₁ 、VT ₂ 的电流 I _b 、 I _c 也不可能完全相等， U _c1 与 U _c2 就不会相等，在无输入信号时，输出信号 U _o = U _c1 -U _c2 不会等于0V。在电路中采用了调零电位器后，可以通过调节电位器使输出电压为0V。

假设电路不完全对称，晶体管VT ₁ 的电流 I _b1 、 I _c1 较VT ₂ 的电流 I _b2 、 I _c2 大，那么VT ₁ 的 U _c1 就比VT ₂ 的 U _c2 小，输出电压 U _o = U _c1 -U _c2 为负值。这时可以调节电位器RP ₁ ，将滑动端C向B端移动，电位器A端与C端的电阻 R _AC 会增大，C端与B端的电阻 R _CB 会减小，VT ₁ 的电流 I _b1 因 R _AC 的增大而减小（电流 I _b1 的途径是：+ V _CC → R ₅ →VT ₁ 的b极→e极→RP ₁ 的AC段电阻→ R _e → -V _CC ）， I _c1 减小， U _c1 上升；而VT ₂ 的电流 I _b2 因 R _CB 的减小而增大， I _c2 增大， U _c2 下降。这样适当调节RP ₁ 的位置，可以使 U _c1 = U _c2 ，输出电压 U _o 就能调到0V。

（2）电阻 R _e 和负电源的作用

当因温度上升引起VT ₁ 、VT ₂ 的电流 I _b 、 I _c 增大时， U _c1 、 U _c2 会同时下降而保持输出电压 U _o 不变，这样虽然可以抑制零点漂移，但VT ₁ 、VT ₂ 的工作点已发生了变化，放大电路的性能会有所改变。电阻 R _e 可以解决这个问题。

增加电阻 R _e 后，当VT ₁ 、VT ₂ 的电流 I _b 、 I _c 增大时，这些电流都会流过电阻 R _e ， R _e 两端的电压会升高，VT ₁ 、VT ₂ 的发射极电压 U _e 会升高，VT ₁ 、VT ₂ 的电流 I _b 减小，电流 I _c 也会减小，电流 I _b 、 I _c 又降回到原来的水平。由此可见，增加了 R _e 后，通过 R _e 的反馈作用，不但可以使VT ₁ 、VT ₂ 的电流 I _b 、 I _c 稳定，同时可以抑制零点漂移， R _e 的阻值越大，这种效果越明显。

电路中采用负电源的原因是：增加反馈电阻 R _e 后，如果直接将 R _e 接地，VT ₁ 、VT ₂ 的发射极电压较高，基极电压也会上升，VT ₁ 、VT ₂ 的动态范围会变小，容易进入饱和状态（当基极电压大于集电极电压，集电结正偏即会使晶体管进入饱和状态）；采用负电源可以拉低VT ₁ 、VT ₂ 的发射极电压，进而拉低基极电压，让基极和集电极电压差距增大，大信号来时基极电压不易超过集电极电压，VT ₁ 、VT ₂ 不容易进入饱和，提高了VT ₁ 、VT ₂ 的动态范围。

2.带恒流源的差动放大电路

在图3-6所示的差动放大电路中，发射极公共电阻 R _e 的阻值越大，晶体管工作点的稳定性和抑制零点漂移的效果越好，但 R _e 越大，需要的负电源越低，这样才能让晶体管发射极电压和基极电压不会很高。

为了解决这个问题，可以采用图3-7所示的带恒流源的差动放大电路。这种差动放大电路中VT ₁ 、VT ₂ 发射极不是通过反馈电阻接负电源，而是通过VT ₃ 、 R ₉ 、 R ₁₀ 、 R ₁₁ 构成的恒流源电路接负电源。

3.2.3 差动放大器的几种连接形式

在实际使用时，差动放大器通常有下面几种连接形式。

1.双端输入、双端输出形式

双端输入、双端输出形式的差动放大器如图3-8所示。

2.双端输入、单端输出形式

双端输入、单端输出形式的差动放大器如图3-9所示。

3.单端输入、双端输出形式

单端输入、双端输出形式的差动放大器如图3-10所示。输入信号一端接到VT ₁ 的基极，另一端在接到VT ₂ 基极的同时也接地，所以该电路是单端输入。

4.单端输入、单端输出形式

单端输入、单端输出形式的差动放大器如图3-11所示，它与图3-10所示的电路一样都是单端输入，但它的输出电压只取自VT ₁ 的集电极， U _o = U _c1 ，故 U _o 的值比较小。

单端输入、单端输出形式的差动放大器的差动放大倍数 A _d 是单管放大倍数 A 的一半，即 A _d =（1/2） A 。

综上所述， 不管差动放大电路是哪种输入方式，其放大倍数只与电路的输出形式有关：采用了单端输出形式，它的放大倍数较小，只有单管放大倍数的一半；采用了双端输出形式，它的放大倍数与单管放大倍数相同。 ObE9nYjmNH1DM0mnGQ2oJIndZjDAkLK6Hw3VHBtdlGD3E2+jrFh8NoqCpK8t5ULP