实验五差分放大器

实验五 差分放大器

3学时 一、实验目的

1．学习调整差分放大器的静态工作点。 2．加深对差分放大器性能及特点的理解。 3．学习差分放大器主要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．画出完整正确的实验电路。

3．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。

4．明确实验内容，画出测量记录表。 三、实验电路及原理

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。

差分放大电路常见的形式有三种：基本形式、长尾式和恒流源式。

1．基本形式差分放大电路

（1）电路组成

将两个电路结构、参数均相同的单管放大电路组合在一起，就成为差分放大电路的基本形式，如图5.1所示。输入电压1I u 和

2I u 分别加在两管的基极，输出电压等于两管的集电极电压之差。

在理想情况下，电路中左右两部分三极管的特性和电阻的参数均完全相同，则当输入电压等于零时，21CQ CQ U U =，故输出电压0=o

U 。如果温度升高使1CQ I 增大，1CQ U 减小，则2CQ I 也将增大，

2

CQ

U也将减小，而且两管变化的幅度相等，结果1T和2T输出端的零点漂移将互相抵消。

CC

2

图5.1 差分放大电路的基本形式

加上输入信号以后：

（2）差模输入电压和共模输入电压

差分放大电路有两个输入端，可以分别加上两个输入电压

1I

u

和

2I

u。如果两个输入电压大小相等。而且极性相反，这样的输入电压称为差模输入电压，如图5.2所示，差模输入电压用符号Id

u表示；如果两个输入信号不仅大小相等，而且极性也相同，这样的输入电压称为共模输入电压，如图5.3所示，共模输入电压

用符号

Ic

u表示。

图5.2 差模输入电压

实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意

极性的输入电压

1I

u和2I u，我们可以将它们认为是某个差模输入

电压与某个共模输入电压的组合，其中差模输入电压

Id

u和共模输

入电压Ic u 的值分别为

21I I Id u u u -=

()212

1

I I Ic u u u +=

因此，只要分析清楚差分放大电路对差模输入信号和共模输入信号的响应，利用叠加定理即可完整地描述差分放大电路对所有各种输入信号的响应。

u

图5.3 共模输入电压

通常情况下，认为差模输入电压反映了有效的信号，而共模输入电压可能反映由于温度变化而产生的漂移信号，或者是随着有效信号一起进入放大电路的某种干扰信号。

（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比 放大电路对差模输入电压的放大倍数称为差模电压放大倍数，用d A 表示，即

Id

o d u u A ??=

而放大电路对共模输入电压的放大倍数称为共模放大倍数，用c A 表示，即

Ic

o c u u A ??=

差分放大电路的共模抑制比用符号CMR K （Common-mode rejection ratio ）表示，它的定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，一般用对数表示，单位为dB ，即

c

d CMR A A K lg

20=

共模抑制比能够描述差分放大电路对零漂的抑制能力，CMR

K 愈大，说明抑制零漂的能力愈强。

现在分析基本形式差分放大电路的差模电压放大倍数。图5.2中假设每一边单管放大电路的电压放大倍数为1u A ，则1T 、2T 的集电极输出电压的变化量分别为

Id u C u A u ?=?1121

Id u C u A u ?-=?12

2

1

则放大电路输出电压的变化量为 Id u C C o u A u u u ?=?-?=?121

所以差分放大电路的差模电压放大倍数为

1u Id

o

d A u u A =??=

上式表明，差分放大电路的差模电压放大倍数和单管放大电路的电压放大倍数相同。可以看出，差分放大电路的特点是：多用一个放大管后，虽然电压放大倍数没有增加，但是换来了对零漂的抑制。

在图5.3中，如为理想情况，即差分放大电路左右两部分的参数完全对称，则加上共模输入信号时，1T 和2T 的集电极电压完全相等，输出电压等于0，则共模电压放大倍数0=c A ，共模抑制

比∞=CMR

K 。

实际上，由于电路内部参数不可能绝对匹配，因此加上共模输入电压时，存在一定的输出电压，共模电压放大倍数0≠c A ，共模抑制比较低。而且，对于这种基本形式的差分放大电路来说，从每个三极管的集电极对地电压来看，其温度漂移与单管放大电路相同，丝毫没有改善。因此实际工作中一般不采用这种基本形式的差分电路。

2．长尾式差分放大电路

为了减小每个管子输出端的温漂，引出了长尾式差分放大电

路。

（1）电路组成

在图5.1的基础上，在两个放大管的发射极接入一个发射极电阻

R，如图5.4所示。这个电阻一般称为“长尾”，所以这种电e

路称为长尾式差分放大电路。

EE

图5.4 长尾式差分放大电路

长尾电阻

R的作用是引入一个共模负反馈，也就是说，e R对

e

共模信号有负反馈作用，而对差模信号没有负反馈作用。假设在电路输入端加上正的共模信号，则两个管子的集电极电流

i、2C i

C

1

同时增加，使流过发射极电阻

R的电流E i增加，于是发射极电位

e

u升高，反馈到两管的基极回路中，使1BE u、2BE u降低，从而限制E

了

i、2C i的增加。

1

C

但是对于差模输入信号，由于两管的输入信号幅度相等而极性相反，所以

i增加多少，2C i就减少同样的数量，因而流过e R的1

C

电流总量保持不变，则0

u，所以对于差模信号没有反馈作用。

=

?

E

R引入的共模负反馈使共模放大倍数c A减小，降低了每个管e

子的零点漂移。但对差模放大倍数

A没有影响，因此提高了电路

d

的共模抑制比。

R愈大，共模反馈愈强，则抑制零漂的效果愈好。但是，随e

着

R的增大，e R上的直流压降愈来愈大。为此，在电路中引入一e

个负电源EE V 来补偿e R 上的直流压降，以免输出电压变化范围太小。引入EE V 以后，静态基极电流可由EE V 提供，因此可以不接基极电阻b R ，如图5.4所示。

（2）静态分析

当输入电压等于零时，由于电路结构对称，即βββ==21，be be be r r r ==21，c c c R R R ==21，R R R ==21，故可认为BQ BQ BQ I I I ==21，

CQ CQ CQ I I I ==21，BEQ BEQ BEQ U U U ==21，CQ

CQ CQ U U U ==21，由三极管的

基极回路可得：

EE e EQ BEQ BQ V R I U R I =++2

则静态基极电流为

e

BEQ EE BQ R R U V I )1(2β++-=

静态集电极电流和电位为 BQ CQ I I β≈

C CQ CC CQ R I V U -=（对地）

静态基极电位为 R I U BQ BQ -=（对地）

（3）动态分析

由于接入长尾电阻e R 后，当输入差模信号时流过e R 的电流不变，E U 相当于一个固定电位，在交流通路中可将e R 视为短路，因此长尾式差分放大电路的交流通路如图5.5所示。

图5.5 长尾式差分放大电路的交流通路

图中L R 为接在两个三极管集电极之间的负载电阻。当输入差

模信号时，一管集电极电位降低，另一个集电极电位升高，可以认为L R 中点处的电位保持不变，也就是说，在2/L R 处相当于交流接地。根据交流通路可得

1

11

1B C be

I B i i r R u i ?=?+?=

?β

则

1112||

2||I be L c L c C C u r R R R R R i u ?+?

?? ??

-=??? ?

??-=?β 同理

222

2||

2||I be L c L c C C u r R R R R R i u ?+?

?? ??

-=??? ?

??-=?β 故输出电压为

()2

12

12||

I I be

L c C C o u u r R R R u u u ?-?+??? ??

-=?-?=?β 则差模电压放大倍数为

be

L c I I o

d r R R R u u u A +??? ?

?

-=?-??=

2||

2

1β 从两管输入端向里看，差模输入电阻为 ()be id r R R +=2

EE

图5.6 接有调零电位器的长尾式差分放大电路

两管集电极之间的输出电阻为 c o R R 2=

在长尾式差分放大电路中，为了在两侧参数不完全对称的情况下能使静态时的o U 为零，常常接入调零电位器W R ，如图5.6所示。

3．恒流源式差分放大电路

在长尾式差分放大电路中，长尾电阻e R 愈大，则共模负反馈作用愈强，抑制零漂的效果愈好。但是e R 愈大，为了得到同样的工作电流所需的负电源EE V 的值愈高。希望既要抑制零漂的效果比较好，同时又不要求过高的EE V 值。为此，可以考虑采用一个三极管代替原来的长尾电阻e R 。

在三极管输出特性的恒流区，当集电极电压有一个较大的变化量CE u ?时，集电极电流C i 基本不变。此时三极管c 、e 之间的等效电阻C

CE ce i u r ??=

的值很大。用恒流三极管充当一个阻值很大的长

尾电阻e R ，既可在不用大电阻的条件下有效的抑制零漂，又适合集成电路制造工艺中用三极管代替大电阻的特点，因此，这种方法在集成运放中被广泛采用。

（1）电路组成

恒流源式差分放大电路如图5.7所示。由图可见，恒流管3T 的基极电位由电阻1b R 、2b R 分压后得到，可认为基本不受温度变化的影响，则当温度变化时3T 的发射极电位和发射极电流也基本保持稳定，而两个放大管的集电极电流1C i 、2C i 之和近似等于3C i ，所以1C i 和2C i 将不会因温度的变化而同时增大或减小。可见，接入恒流三极管后，抑制了共模信号的变化。

有时，为了简化起见，常常不把恒流式差分放大电路中恒流管3T 的具体电路画出，而采用一个简化的恒流源符号来表示，如图5.8所示。

EE

图5.7 恒流源式差分放大电路

EE

图5.8 恒流源式差分放大电路的简化表示法

（2）静态分析

估算恒流源式差分放大电路的静态工作点时，通常可从确定恒流三极管的电流开始。由图5.7可知，当忽略3T 的基流时，1b R 上电压为

()EE CC b b b R V V R R R U b ++=

2

11

1

则恒流管3T 的静态电流为

e

BEQ R EQ CQ R U U I I b 3

331-=

≈

于是可得到两个放大管的静态电流和电压为

)

(1

)

(2

11211

1

21121321对地对地R I U U I I I R I V U U I I I BQ BQ BQ CQ BQ BQ c CQ CC CQ CQ CQ CQ CQ -==≈

=-==≈=β

（3）动态分析

由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以恒流源式差放的交流通路与长尾式电路的交流通路相同，见图5.5。因而，二者的差模电压放大倍数d A 、差模输入电阻id R 和输出电阻o R 均相同。

本次实验采用的差分放大电路如图5.9所示。1T 和2T 为3DG6对管，3T 为9013管。

CC

Ω

Ω

图5.9 差分放大器实验电路

当图中的开关K 拨向左边时（如图5.10所示），电路构成典型的差分放大器（长尾式差分放大电路）。电路主要由两个元件参数相同的基本共射放大器组成。差分对管1T 和2T 起控制和放大

电压或电流作用；1c R 和2c R 为差分对管的集电极负载电阻；51~R R 构成差分对管的直流电阻；W R 调零电位器用来调节1T 和2T 的静态工作点，使得输入信号0=i

V 时，双端输出电压0=o V ；E R 为两管

共用的发射极电阻，它对差模信号无反馈作用，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，故可有效地抑制零漂，稳定静态工作点。

CC

图5.10 长尾式差分放大电路

CC

Ω

图5.11 恒流源式差分放大电路

当图5.9中的开关K 拨向右边时（如图5.11所示），三极管3

T 和电阻5R 、6R 、3E R 组成的恒流源具有很大的电阻，以代替基本差分放大器中的E R ，大大提高差分放大器抑制共模信号的能力。

差分放大器的有关主要技术指标和静态工作点的分析计算方法如下：

1．静态工作点的估算 （1）典型电路

E

BE

CC E R V V I --≈

当02

1≈=B B V V 时

2

2

1E

C C I I I ==

（2）恒流源电路

[]3

36563

31)(E BE CC CC E C R V R R V V R I I ?

??????-+--≈≈

2

32

1C C C I I I == 2．差模电压增益和共模电压增益

当差分放大器的射极电阻E R 足够大，或采用恒流源电路时，差模电压增益d A 主要由输出方式决定。当图5.9中B R R R ==2

1，

C C C R R R ==21，则W

R 处在中心位置时，差分放大器双端输出的差

模电压增益为

W

be B id

od

Vd R r R R V V A )1(2

1

ββ+++-==

单端输出的差模电压增益为

Vd

id od id d C Vd Vd

id od id d C Vd A V V V V A A V V V V A 2

12/2

1

2/22

11-=-=====

当输入共模信号时，单端输出的电压增益为

E C

E W be B C iC

oC

VC VC R R

R R r R R V V A A 2221)1(21-≈?

?

?

??++++-==

=ββ

当输入共模信号时，在理想情况下，双端输出的电压增益

0==

i

oC

VC V V A 实际上，由于元件不可能完全对称。因此，VC A 一般不会绝对等于零。

3．共模抑制比CMR K

共模抑制比定义为差模电压增益与共模电压增益之比的绝对值

VC

Vd CMR A A K =

当用对数表示时，则

VC

Vd CMR A A dB K log

20)(=

四、实验仪器

本次实验所用的实验仪器如表5.1所示。

表5.1 实验仪器

五、实验内容

1．按图5.9所示的电路进行正确组装和连接，其中开关K 可用改变连线法给予代替。

2．通电检查电路的工作情况，若出现故障给予排除。

3．典型差分放大电路性能测试。

图5.9中的电路，开关K 拨向左边构成典型差分放大器。 （1）放大器零点的调节

信号源不接入，并将放大器输入端A 、B 与地短接，接通V 12±直流电源，用数字万用表的直流电压档测量输出电压o V ，调节调零电位器W R ，使0=o V 。若Ω100电位器现存没有，则可用两个Ω51加并一个Ωk 级的电位器代替，如图5.12所示。

图5.12 等效100Ω电位器

（2）静态工作点的测量

零点调好以后，用数字万用表的直流电压V 20档测量1T 、

2T 管的各电极电位及E R 两端的电压RE V ，并记录于表

5.2中

表5.2 典型差分放大器直流工作点的测量

测量值 )(1V V C

)(1V V B )(1V V E )(2V V C )(2V V B )(2V V E )(V V RE

实 测 计算值 )(mA I C

)(mA I B

)(V V CE

理 论 计算值

)(mA I C

)(mA I B

)(V V CE

（3）差模电压增益测量

断开直流电源和A 、B 与地的短接线，信号发生器输出端与放大器的A 端连接，信号发生器的地端与放大器的B 端连接，构成差模输入方式。调节信号源的频率为kHz 1，幅度约为mV 100，然后接通V 12±电源，用示波器观察放大器的输出波形，正常放大

后，再用交流电压表测量id V 、d C V 1、d C V 2、od V 并记录于表5.3中，而且观察id V 、d C V 1、d C V 2之间的相位关系。如果测量id V 时因浮地有干扰，可分别测A 点和B 点对地之间的电压，两者之差为id V 。

（4）共模电压增益测量

将放大器的A 、B 两点短接，信号源输出端与放大器的A 端与地端之间相接，构成共模输入方式，信号源的频率不变，其输出电压幅度iC V 调为V 1，在放大器输出波形正常的情况下测量

C C V 1、C C V 2、oC V 值，并记录于表

5.3中（包括用示波器观察iC V 、

C C V 1、C C V 2的相位）

4．具有恒流源的差分放大器性能测试

将图5.9所示电路中的开关K 拨向右边，构成具有恒流源的差分放大器，并排除实验故障，使电路正常工作。然后重复测量

3（3）、3（4）的实验内容，C C V 1、C C V 2、oC V 的值，并记录于表5.3中。

表5.3 差分放大器测试参数记录表 典型差分放大器 恒流源差分放大器 差模输入

id V

共模输入

ic V

差模输入

id V

共模输入

ic V

i V mV 100

V

1 mV 100

V

1

)(1V V d C

/ / )(2V V d C

/ / id d C Vd V V A 11=

/

/ id od Vd V V A =

=od V

/

=od V

/

iC C C VC V V A 11=

/ =C C V 1

/ =C C V 1

iC

C C VC V V A 22=

/ =C C V 2

/ =C C V 2

iC

oC VC V V A =

/

=oC V

/

=oC V

11VC Vd CMR A A K = VC

Vd CMR A A K =

表5-3中各测量量说明 id V ：差模输入电压

d C V 1：差模输入时， 1T 管集电极对地的输出电压

d C V 2：差模输入时， 2T 管集电极对地的输出电压

差模

电路形式 代号

共模

参数

od V ：差模输入时， 1T 管与2T 管两个集电极间的电压 Vd A ：差模增益 ic V ：共模输入电压

C C V 1：共模输入时， 1T 管集电极对地的输出电压 C C V 2：共模输入时， 2T 管集电极对地的输出电压 oC V ：共模输入时， 1T 管与2T 管两个集电极间的电压

VC A ：共模增益

六、思考题解答

七、实验报告要求 1． 明确实验目的。

2． 写出所用仪器名称、型号及功能等。

3． 画出完整正确的实验电路、并叙述其实验原理。 4． 整理各项实验内容，并计算出结果。 5． 结合理论知识对实验结果进行分析比较。 6． 完成思考题。 7．

写出实验总结。