实验六 差分放大器

实验六差分放大器
一．实验目的
1．加深理解差分放大器的性能特点。

2．掌握差分放大器性能指标的测试方法。

二．预习要求
1．复习差分放大器的工作原理和性能分析方法。

2．了解差分放大器的调整方法及放大倍数、共模抑制比的测量方法。

三．实验原理
差分放大器是基本放大电路之一，由于它具有抑制零点漂移的优异性能，因此得到广泛的应用，并成为集成电路中重要的基本单元电路，常作为集成运算放大器的输入级。

典型的差分放大器电路如图1所示。

+E
c 即使在不对称的情况下，它也能较好地放
大差模信号，而对共模信号的放大能力则
很差，从而抑制了零点漂移。

这一电路的
特点，是在发射极串联了一个电阻R e。

通
常R e取值较大，由于分占了稳压电源E C
较大的电压，使两管的静态工作点处于不
合理的位置，因此引进辅助电源E E（一般
取E E = －E C），以抵消R e上的直流压降，
并为基极提供适当的偏置。

U
i2
如图1所示，当输入差模信号时，T1管的i c1增加，T2管的i c2减小，增减的量相等，因此两管的电流通过R e的信号分量相等但方向相反，他们相互抵消，所以R e可视为短路，这时图1中的差分放大器就变成了没有R e的基本差分放大器电路，它对差模信号具有一定的放大能力。

对于共模信号，两管的共模电流在R e上的方向是相同的，在取值较大的R e上产生较大的反馈电压，深度的负反馈把放大倍数压得很低，因此抑制了零点漂移。

从上述可知，对差分放大器来说，其放大的信号分为两种：一种是差模信号，这是需要放大的有用的信号，这种信号在放大器的双端输入时呈现大小相等，极性相反的特性；另一种是共模信号，这是要尽量抑制其放大作用的信号。

1．差模电压放大倍数
对于差模信号，由于U id1 = －U id2，故射极电阻R e上的电流相互抵消，其压降保持不变，
即 ∆U E = 0，可得到差模输入时的交流等效电路，
如图2所示，由于电路对称，每个半边与单管 共射极放大器完全一样。

双端输入——双端输出差分放大器的差模 电压放大倍数为： id
od ud U U A =
2
121id id od od U U U U --= id2 1
122id od U U = 图2 差模输入时的交流等效电路 u be b c A r R R =+-=β （1） 可见A ud 与单管共射极放大器的电压放大倍数A u 相同。

考虑负载R L 后，双端输入——双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为：
be
b L u ud r R R A A +'-=='β （2） 式中L
c L R R R 2
1//=' 双端输入——单端输出差分放大器的差模电压放大倍数为：
)
(221111be b c id od id od ud r R R U U U U A +-===β （3）
2． 共模电压放大倍数 当输入共模信号时，R e 上的压降为∆U E =2∆I E R e ， 在画等效电路时把两管拆开，流过射极电路的电流 为∆I E ，为了保持电压∆U E 不变，应把每管的发射极 电阻R e 增加一倍，因此共模输入时的交流通路如 图3所示。

当从两管的集电极输出时，如果电路完 R b2 全对称，则输出电压U oc = U oc1－U oc2= 0，因此双端
输出时的共模电压放大倍数A uc 为： 021=-==ic
oc oc ic oc uc U U U U U A （4） 如果采用双端输入——单端输出的方式，则共 图3 共模输入时的交流通路 模电压放大倍数为：
e
be b c ic oc uc R r R R U U A 2)1(111ββ+++-== （5） 通常 β >> 1，2βR e >> R b1 + r be ，故上式可简化为：
e
c uc R R A 21-≈ （6） 从上述讨论可知，共模电压放大倍数越小，对共模信号的抑制作用就越强，放大器的性能就越好。

在电路完全对称的条件下，双端输出的差分放大器对共模信号没有放大能力，完全抑制了零点漂移。

实际上，电路不可能完全对称，A uc 并不为零，但由于R e 的负反馈作用，对共模信号的抑制能力还是很强的。

在R e 取值足够大的情况下，即使是单端输出，也能把A uc1压得很低。

如果电路不对称，则（4）式不为零，所以双端输入——双端输出时的A uc 应写成：
A uc = A uc1 －A uc2 （7）
3． 共模抑制比
共模抑制比指差分放大器的差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即：
uc
ud A A CMRR = （8） 共模抑制比说明了差分放大器对共模信号的抑制能力，其值越大，则抑制能力越强，放大器的性能越好。

对于单端输出电路，由（3）式与（6）式，可以得到共模抑制比：
be
b e u
c u
d r R R A A CMRR +==β11 （9） 上式表明，提高共模抑制比的主要途径是增加R
e 的阻值。

但当工作电流给定后，加大R e 势必要提高 |E C | 。

为了在不用提高 |E C |的情况下 ， 能够显著地增大R e ，可用晶体管构成 的恒流源来代替R e ，如图4中所示的 T 3，只要保证T 3的U CEQ ≥（1 ~ 2）V ， 则T 3管“集—射”之间的交流阻抗可 达几十k Ω~ 几M Ω。

图4电路中的元件值分别为： R b11 = R b12 = 300k Ω， R b21 = R b22 = 22 k Ω， R c1 = R c2 = 10k Ω， R = 510Ω，R 2 = 270 k Ω， R e3 = 1.2 k Ω，R L = 100 k Ω， R W 为150Ω电位器，T 3为3DG6， T 1、T 2为3DG6对管，
2CW1S 为稳压管。

图4 具有恒流源的差分放大器
四．实验设备
五．实验内容
1．基本差分放大器
（1）调整放大器电路的对称平衡
按图5所示安装一个基本差分放大
器，安装好电路并确定元件连接无误后，
接上稳压电源±12V，将两输入端接地，
将万用表的两个表笔接在两输出端，调
节电位器R W，使输出电压逐渐减到零
（先将万用表的直流电压档打在较高档
位上进行粗调，然后再逐渐降低量程档
位进行细调）。

（2）差模电压放大倍数的测量
在两输入端输入频率f = 200Hz，
U id1 = －U id2 = 50mV的差模信号，用图5 基本差分放大器实验电路
数字电压表分别测量输入电压值及双端（R e = 6.2 kΩ，其它元件值与图4的相同）
和各单端输出的电压值（U id1、U od、U od1与U od2），并分别算出双端输出的电压放大倍数A ud和单端输出的电压放大倍数A ud1或A ud2。

（3）共模电压放大倍数的测量
将两输入端短接，输入频率f = 200Hz，U ic = 100mV的共模信号，用数字电压表分别测量输入电压值及双端和各单端输出的电压值（U ic、U oc、U oc1与U oc2），并分别算出双端输出的电压放大倍数A uc和单端输出的电压放大倍数A uc1或A uc2。

（4）由A ud、A ud1、A uc与A uc1值，分别算出双端、单端输出的共模抑制比。

2．具有恒流源的差分放大器
按图4所示安装一个具有恒流源的差分放大器，并参考1的实验内容与步骤进行实验。

六．实验报告要求
1．画出实验电路图，并标出元件数值。

2．将实验数据、计算结果填入自拟的表格中，并与理论值（A ud、A uc1）对比。

3．回答问题：
（1）通过比较，简要说明差分放大器是如何解决电压放大倍数和零点漂移这一矛盾的？
（2）为什么用恒流源代替R e可以提高共模抑制比？
七．思考题
1．能否用DA —16型晶体管毫伏表直接测量差分放大器的双端输出时的U d、U c值？为什么？
2．今有一台低频信号发生器，输出频率为1000Hz时, 能否同时接到图5中的两个输入端去放大?
注意：本实验中使用的12V直流电压，由双路输出的稳压电源（JWD—2型）提供，要按图6所示连接电源。

JWD-2稳压电源
A B
+12V 接地-12V
图 6 直流稳压电源正负电压同时输出的接法。