有关差动放大器实验的几个问题

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学士学位论文
有关差动放大器实验的几个
问题
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系部：物理系
专业：电子信息科学与技术
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指导教师：
完成日期：2015 年 4 月28 日
摘要
差动放大器的主要性能指标都有那些，差动放大器都有那些优点，差动放大器为什么能较好的抑制零点漂移，差动放大器的工作原理是什么，本文将对差动放大器的这些问题进行浅析和探讨。

论述差动放大电路实验中的几种测试方法的利弊,并提出有关改善实验效果的措施。

差分放大器在电子线路中有着广泛的应用,在模拟电子技术的教学中是重要内容之一。

提出了差分放大器除了在直耦放大器中克服零点漂移外,其设置的目地是可以对2个输入端的差进行放大,同时对在非对称下情况如何减少失调电压及共模电压的范围做了详细的介绍,这些对于教学和电路设计及电路的合理应用却是非常重要的。

差分放大器在“模拟电子技术”课程的教学过程中是不可缺少的重要内容,在实际电子线路中有广泛的应用。

在公开出版的教材和参考资料中重点提出差分放大器的应用是为了克服零点漂移,而对于差分放大器设置的目的、如何减少非对称下失调电压则很少涉及。

本文就这方面的应用和在教学过程中应注意的几个问题做了讨论。

关键词:平衡输出;不平衡输出;零点漂移;差模增益;共模增益;共模抑制比。

引言 (4)
1.差动放大器的工作原理 (5)
2.差动放大器的主要性能、优点 (6)
2.1差动放大器优点 (6)
2.2共模放大倍数 (6)
2.3共模抑制比KCMR (7)
3.差动放大器的作用 (7)
4.差动放大器实验 (7)
4.1差动放大器实验目的 (7)
4.2 差动放大器的实验原理 (7)
4.2.1、静态工作点的估算 (8)
4.2.2 差模电压放大倍数和共模电压放大倍数 (8)
4.2.3 共模抑制比CMRR (9)
4.3 差动放大器实验设备与器件 (9)
4.4 差动放大器的实验内容及实验步骤 (9)
4.4.1静态工作点 (9)
4.4.2 测量差模电压放大倍数 (11)
4.5 差动放大器实验注意事项 (12)
4.6差动放大器实验总结 (13)
结论 (14)
参考文献 (14)
引言
差动放大器又叫差分放大器或差值放大器。

差动放大器电路是由特性相同的两个放大管（称差动对管）及其他元件组成的电路结构对称的放大电路，利用对称性来实现电路的相互补偿，减少零点漂移。

差动放大电路是模拟电路基本单元电路之一,是集成运算放大器的主要组成部分,是直接耦合放大电路的最佳电路形式。

在实际检测,自控系统等得到广泛应用。

因此,差动放大器在整个模拟电路教学中占有很重要的地位。

差动放大电路,具有高度对称性,在放大差模信号时,能较好地抑制共模信号,有较高的共模抑制比,解决了直接耦合放大器中,既要放大有用信号,又要抑制温度等引起的零点漂移的问题。

为使初学者更好地理解和掌握差动放大电路的特点,成功地做好差动放大电路实验,显得特别重要。

现行高校非电子专业,模拟电路实验多采用现场的“模拟电路实验箱”,差动放大电路实验都已做成固定电路。

实验教材中,采取的做法是:用直流小信号作为输入信号,用直流电压表测量输入、输出电压,计算增益及共模抑制比,或用低频交流信号作为输入信号,用毫伏表、示波器观测交流输出电压及波形。

1.差动放大器的工作原理
差动放大器的基本电路
运算放大器均是采用直接耦合的方式，我们知道直接耦合式放大电路的各级的Q点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化。

当输入短路时（由于一些原因使输入级的Q点发生微弱变化象：温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。

差动放大器又叫差分放大器，在直接耦合放大电路中它是抑制零点漂移的最有效的电路。

差动管是一种完全对称的晶体管，它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。

电路具有两个输入端，两个输出端。

信号分别从两管的基级和射级间输入，从两管的集电级之间输出。

输出信号是随着两端输入信号之差变动的，所以叫差动放大器。

在差动放大电路中，无论是电源电压波动或温度变化都会使两管的集电极电流和集电极电位发生相同的变化，相当于在两输入端加入共模信号。

由于电路完全对称，使得共模输出为零，共模电压放大倍数AC=0，从而抑制了零点漂移。

电路放大的只是差模信号。

差动放大电路在零输入时具有零输出；静态时，温度有变化依然保持零输出，即消除了零点漂移。

电路对共模输入信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。

可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。

差动电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。

对于差动电路来说，差模信号是有用信号，要求对差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号，因此对共模信号的放大倍数越小越好。

对共模信号的放大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映出信号的偏差值。

共模抑制信号比越大，差动放大电路分辨所需的差模电路信号的能力越强，而受共模信号的影响越小。

由于电路的对称性结构特点和恒流源的作用，当电源电压波动或温度变化时，对差分
管的影响都是一样的，两管集电极电流和集电极电位同时发生变化。

输出电压仍然为零。

可见，尽管各管的零漂存在，但总输出电压为零，从而使得零漂得到抑制。

2.差动放大器的主要性能、优点
2.1差动放大器优点
差动放大器的抗干扰能力强，增大电压摆幅，高线性度，差模放大倍数，共模放大倍数，共模抑制比，输入输出阻抗，失调电压，漂移，带宽等。

差模放大倍数差模放大倍数是指差动放大器对差模信号（即两个大小相等，极性相反的一对信号）的放大倍数，这类信号是我们需要放大的有用信号。

当差
动放大器的射极电阻R
E 足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数A
d
由
输出端方式决定，而与输入方式无关。

差模输入：差分放大电路的两个输入信号大小相等，极性相反
差模电压放大倍数：差模输出电压u od与差模输入电压u id的比值。

差模输入电阻：从放大电路两个输入端看进去所呈现的等效电阻。

差模输出电阻：差分放大电路两管集电极之间对差模信号所呈现的电阻。

差模输入时的交流等效电路
2.2共模放大倍数
当差分放大电路两输入端加上大小相等、极性相同的信号时，称为共模输入方式。

而共模电压放大倍数用来衡量差动放大电路对共模信号的抑制能力。

根据输出端连接方式的不同，可分为单端共模电压放大倍数A C1,A C2和双端共模电压放大倍数A C 。

2.3共模抑制比KCMR
为了表征差动放大器对有用信号（差模信号）的放大作用和对共模信号的抑制能力，通常用一个综合指标来衡量，即共模抑制比
c d CMR A A K =
或()dB A A
20Log K c
d CMR = 3.差动放大器的作用
差动放大电路是抑制零点漂移的有效电路，它是一个对称电路，可使漂移信号相互抵消。

对差动放大，因电路对称，由温度变化等因素引起两管的输出漂移电压必然是大小相等，极性相同，即为共模信号。

当输入信号为共模信号时，由于电路对称，两管的集电极电流产生相等的电流增量。

双端输出时的共模输出电压为零，共模放大倍数也为零。

即使单输出电路，由于共模电阻取值较大，产生较大的反馈电压，把放大倍数压的很低，也能很好的抑制共模信号，因此稳定了工作点，抑制了零点漂移，对共模放大倍数抑制作用越强，表明放大器的性能越好。

4.差动放大器实验
4.1差动放大器实验目的
1、加深对差动放大器性能及特点的理解
2、学习差动放大器主要性能指标的测试方法
4.2 差动放大器的实验原理
图5－1是差动放大器的基本结构。

它由两个元件参数相同的基本共射放大
电路组成。

当开关K 拨向左边时，构成典型的差动放大器。

调零电位器RP 用来调节T1、T2管的静态工作点，使得输入信号Ui ＝0时，双端输出电压UO ＝0。

RE 为两管共用的发射极电阻， 它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电
压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。

图5－1 差动放大器实验电路
当开关K拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。

它用晶体管恒流源代替发射极电阻RE，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。

4.2.1、静态工作点的估算
典型电路
E
BE
EE
E R
U
U
I
-
≈
（认为UB1＝UB2≈0）
E
C2
C1
I
2
1
I
I=
=
恒流源电路
E3
BE
EE
CC
2
1
2
E3
C3R
U
)
U
(U
R
R
R
I
I
-
+
+
≈
≈
C3
C1
C1
I
2
1
I
I=
=
4.2.2 差模电压放大倍数和共模电压放大倍数
当差动放大器的射极电阻RE足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数Ad由输出端方式决定，而与输入方式无关。

双端输出: RE＝∞，RP在中心位置时，
P
be
B
C
i
O
d
β)R
(1
2
1
r
R
βR
△U
△U
A
+
+
+
-
=
=
单端输出
d
i C1d1A 21
△U △U A ==
d
i C2d2A 21
△U △U A -==
当输入共模信号时，若为单端输出，则有
若为双端输出，在理想情况下
0△U △U A i
O
C ==
实际上由于元件不可能完全对称，因此AC 也不会绝对等于零。

4.2.3 共模抑制比CMRR
为了表征差动放大器对有用信号（差模信号）的放大作用和对共模信号的抑制能力，通常用一个综合指标来衡量，即共模抑制比
c
d A A CMRR =
或
()dB A A 20Log
CMRR c
d
=
注意：差动放大器的输入信号可采用直流信号也可采用交流信号。

本实验由函数信号发生器提供频率f ＝1KHZ 的正弦信号作为输入信号。

4.3 差动放大器实验设备与器件
1、±12V 直流电源
2、函数信号发生器
3、双踪示波器
4、交流毫伏表
5、直流电压表
6、晶体三极管3DG6×3（或9011×3）。

，要求T1、T2管特性参数一致。

电阻器、电容器若干。

4.4 差动放大器的实验内容及实验步骤
1. 测量典型差动放大器性能测试
按图1连接实验电路，开关K 拨向左边构成典型差动放大器。

4.4.1静态工作点 实验步骤：
① 节放大器零点
E
C
E
P be B C i C1C2C12R R
)2R R 2
1β)((1r R βR △U △U A A -≈++++-==
=
a)信号源不接入；
b)输入端A、B与地短接，接通±12V直流电源；
c)用直流电压表测量输出电压UO；
d)调节调零电位器RP，使UO＝0。

②量静态工作点
用直流电压表测量T1、T2管各电极电位及射极电阻RE两端电压URE 表1
Multisim仿真电路
4.4.2 测量差模电压放大倍数
实验步骤：
断开直流电源；
①单端输入方式：函数信号发生器的输出端接A端，地端接B端；
②调节输入信号为频率f＝1KHz的正弦信号，并使输出旋钮旋至零；
③用示波器监视输出端（集电极C1或C2与地之间）；
④接通±12V直流电源；
⑤逐渐增大输入电压Ui（约100mV），在输出波形无失真的情况下，用
交流毫伏表测 Ui，UC1，UC2；
⑥观察ui，uC1，uC2之间的相位关系及URE随Ui改变而变化的情况。

(1)测量共模电压放大倍数
实验步骤：
①共模输入方式：放大器A、B短接，信号源接A端与地之间；
②调节输入信号f=1kHz，Ui=1V；
③在输出电压无失真的情况下，测量UC1， UC2之值；
④观察ui，uC1，uC2之间的相位关系及URE随Ui改变而变化的情况。

(2)具有恒流源的差动放大电路性能测试
将图1电路中开关 K 拨向右边，构成具有恒流源的差动放大电路。

重复内容（2)、（3)的要求。

表2
4.5 差动放大器实验注意事项
1.使用信号发生器前应将“输出细调或正弦幅度”调到最小，然后接通电源，进行预热。

以防使输入信号过大，产生不良影响。

2.几个仪器共同使用时，必需遵守“共地”连接的原则。

3.严禁信号发生器、稳压电源的输出端短路，以防损坏仪器。

4.实验完毕按有关规定恢复仪器的面板开关旋钮的位。

4.6差动放大器实验总结
整理实验数据，列表比较实验结果和理论估算值，分析误差原因。

（1) 静态工作点和差模电压放大倍数。

（2) 典型差动放大电路单端输出时的CMRR实测值与理论值比较
（3) 典型差动放大电路单端输出时CMRR的实测值与具有恒流源的差动放大器CMRR实测值比较。

结论
为改善差动放大电路实验效果,应采用不同电路及不同输入信号进行测试。

当用直流信号时,着重测试平衡输出的共模抑制比;当用交流信号时,着重测试非平衡输出的共模抑制比。

利用示波器“Y1+Y2”显示方式,配合极性开关,同时显示双端差模、共模输出波形,以达到最佳实验效果。

参考文献
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[6]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].3版.北京:高等教育出版
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