讲答案4章 差动放大电路

第4章 差动放大电路在工业控制过程中，如温度、压力这样的物理量，被传感器检测到并转化为微弱的。

变化缓慢的非周期电信号。

而这些信号还需要经过直流放大器放大以后，才能进行进一步的处理或推动二次仪表进行显示。

那么，这里的放大器一般采用直接耦合多级放大器。

直接耦合多级放大器存在零点漂移的问题，克服零点漂移的有效办法，就是在多级放大器的输入级采用差动放大电路。

4.1 典型差动放大电路4.1.1 零点漂移问题1、零点漂移（1）零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象，简称零漂。

（2）零漂产生的原因：晶体管参数()CEO BE I U β、、随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等。

（其中主要因素是温度对晶体管参数的影响，称为温漂。

）（3）温漂：环境温度每变化1℃，将放大电路输出端出现的漂移电压oU '∆ 折算到输入端，用这个折算到输入端的漂移电压数值表示零漂的大小，用i U '∆表示。

（常常认为，零漂就是温漂。

）放大电路的级数越多，放大倍数越大，则零漂电压逐级放大，就使零漂越严重，有时会将输入信号淹没。

那么，第一级零漂对输出端的总零漂来说，占主要地位。

2、抑制温度漂移的措施：① 在电路中引入直流负反馈。

（如第2章介绍的分压式偏置电路中的E R 就是一个直流负反馈。

）② 采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成差动放大电路，至于直接耦合多级放大电路的输入端。

（在直接耦合放大电路中抑制零点漂移最有效的电路结构是差动放大电路。

）4.1.2 典型差动放大电路1、电路结构与静态工作情况 （图4-1为典型的差动放大电路）将两个电路结构、参数均相同的单管放大电路组合在一起，就成为差动放大电路的基本形式。

两管射极均通过电阻E R 与负电源串联之后接地。

（1）差动放大电路的结构特点：① 由两个结构、参数左右对称的共射放大器组成；② 它有两个输入端a 和b ，存在两个输入信号1i u 、2i u ；③ 它有两个输出端，有单端输出（从任意一个集电极输出）、双端输出（从两个集电极之间输出）两种方式； ④ EE U 为负电源，确保1V 、2V 工作在放大状态。

（2）静态工作情况120i i u u ==时（静态）：① 电源CC V 和EE U 使得1V 和2V 发射结正偏，集电结反偏；②C B I I β=；③E R 上流过的静态电流为2E I 。

2、输入与输出方式（1）输入方式：双端输入和单独输入。

（图4-1为双端输入，图4-2为单端输入）（2）输出方式：双端输出和单端输出。

（图4-1为双端输出，图4-2为单端输出）（3）差动电路的输入输出方式：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。

3、对零点漂移的抑制作用（1）分析图4-1 所示电路，双端输入双端输出差动电路当输入120i i u u ==时：① 温度不变：120i i u u ==时，输出电压120o C C u U U =-=（电路对称，12C C U U =）② 温度变化时：1122()()o C C C C u U u U u =+∆-+∆ （电路对称，12C C U U =，12C C u u ∆=∆）（温度变化时，两管集电极电位随之变化，但电路对称，变化量1C u ∆和2C u ∆的大小和方向相同。

）结论：双端输入双端输出差动电路有效的抑制了零点漂移。

（2）电阻E R 对零漂的抑制作用除了差动电路的结构可以抑制零漂以外，电阻E R 对零漂也有抑制作用。

E R 的电流负反馈作用能够抑制各种原因引起的集电极电流的改变，从而使1C u ∆和2C u ∆减至最小，抑制零点漂移。

E R ：温度补偿电阻。

差动放大电路的公共发射极电阻E R 是保证静态工作点稳定的关键元件。

当温度T ↑，两管的发射极电流1E I 和2E I 、集电极电流1C I 和2C I 均增大。

由于两管基极电位1B V 和2B V 均保持不变，两管的发射极电位E E E V I R =升高，引起两管的发射结电压1BE U 和2BE U 降低（BE B E E U V I R =-）。

两管的基极电流1B I 和2B I 随之减小，集电极电流1C I 和2C I 下降。

此过程类似分压式偏置的共射放大电路中E R 的作用。

,()(,),C E E E E E BE BE B E E B B C E T I I V V I R U U V I R V I I I ↑⇒↑↑⇒↑=⇒↓=-⇒↓⇒↓↓固定结论：（1）双端输出的差动放大电路能够抑制由各种原因引起的以C I 变化为特征的零点漂移，抑制的效果取决于两管参数的对称程度。

如果两管完全对称，则电路能够完全的抑制零漂。

（2）单端输出的差动放大电路能够抑制由各种原因引起的以C I 变化为特征的零点漂移，抑制的效果取决于E R 的大小，如果E R 很大，可使零漂减至最小。

4、差模信号与共模信号（1）差模信号：作用在差动放大器两输入端的一对数值相等、极性相反的输入信号，即12id id u u =-，称差动放大电路接收差模输入。

两端输入信号之差称为差模输入信号id u ，表示为：1212id id id id u u u u =-=，122id id id u u u =-= 。

（2）共模信号：两个输入信号电压的大小相等，极性相同，即12ic ic u u =，称差动放大电路接收共模输入。

这样的输入称为共模输入信号，共模输入信号常用ic u 表示：12ic ic ic u u u ==（3）实际信号：实际信号通常既不是单纯的差模信号，又不是单纯的共模信号，而是任意信号1i u 、2i u 。

即：11112i ic id ic id u u u u u =+=+；22212i ic id ic id u u u u u =+=-。

差动放大器两输入端的任意信号都可以分解为一对共模信号和一对差模信号，即：1222i ic id i ic id u u u u u u =+⎧⎨=-⎩ 则可得：122i i ic u u u += ；12id i i u u u =- （书上52页，例题4-1）4.1.3 典型差动放大电路的静态分析静态分析的目的就是计算静态工作点Q 点，即计算两管的B I 、C I 和CE U 。

（由于两管完全对称，所以只求一个管的静态值即可。

静态通路如图4-4所示）C1C2C I I I == ， B1B2B I I I == ， 12CE CE CE U U U ==对回路Ⅰ列KVL 方程可得：B B BE E E EE B B BE E B EE 22(1)R I U R I U R I U R I U β++=⇒+++=注意：流过E R 上的电流是12E E E I I I +=。

则可得：2(1)EE BE B B EU U I R R β-=++ 对回路Ⅱ列KVL 方程可得：2(2)C C CE E E CC EE CE CC EE C C E I R U I R V U U V U I R R ++=+⇒≈+-+4.1.4 典型差动放大电路的动态分析动态分析的目的是讨论差动放大电路对差模和共模信号的放大能力，以及各种输入、输出方式下电路的电压放大倍数和电路的输入输出电阻。

1、双端输入、双端输出的差动放大电路 （如图4-1所示）（1）共模信号电路输入共模信号12ic ic ic u u u ==，电路两边对称，则有：121212b b c c c c i i u u i i =⎫⇒=⎬=⎭（1122,c c C c c C u i R u i R =-=-）则输出电压为：120oc c c u u u =-=，即共模输入条件下的差动输出为0。

（差动放大器利用其电路结构、参数上的对称性实现了对共模信号的抑制。

）双端输出的差动放大电路对共模信号无放大作用，共模放大倍数0C A =（2）差模输入① 输出电压od u 输入一对差模信号：122id id id u u u =-= 由于电路参数对称，1V 、2V 所产生的电流的变化大小相等、方向相反，即：12b b i i =-，12c c i i =-，则有：12c c u u =-。

所以，输出电压为：1212od c c c u u u u =-=，实现了电压放大。

由于流经E R 的电流1e i 和2e i 大小相等，极性相反，两管的变化电流相互抵消，流过E R 的电流保持不变所以，对差模信号而言，在交流分析时，E R 可视为短路。

（左图给出了差动放大器的差模交流通路，E R 短路。

）（2）差模电压放大倍数d A① 两管集电极间没有接负载L R 差动放大器在输入差模信号时的电压增益称为差模电压增益：od d idu A u =式中：od u 是在id u 作用下的输出电压。

（左图为微变等效电路） 12111112()222od c c c c c b C C d d idid id id i b be B be B u u u u u u i R R A A u u u u u i r R r R ββ--=======-=++ 式中：1d A —表示单管共射放大器的增益，又称为半电路增益。

双端输出差模微变等效电路 （从d A 的表达式可以看到，差动放大器双端输出时的电压增益等于半电路增益。

可以认为：差动放大器是以牺牲一个管子的增益为代价，换取了低漂移的结果。

差动放大器具有差动放大作用。

）② 当两管集电极间接有负载L R 时，对于差动信号而言，L R 中点电位为0。

差模放大倍数为：121111(//)22()222L b C od c c c c c L d id id id id i b be B be B R i R u u u u u u R A u u u u u i r R r R ββ-'-=======-++ 式中：//2L L C R R R '= 双端输出差模微变等效电路 （3）双端输入的差动放大电路的输入电阻id R 和输出电阻o R① 输入电阻id R ：从两个输入端看进去的等效电阻即为输入电阻id R ，则有：2()id be B R r R =+② 输出电阻o R ：从两个输出端看进去的等效电阻即为输入电阻o R ，则有：2o C R R =2、双端输入、单端输出的差动放大电路 （如图4-5所示）（1）差模输入 输入一对差模信号：122id id id u u u =-= 由于电路参数对称，1V 、2V 所产生的电流的变化大小相等、方向相反，即：12b b i i =-，12c c i i =-，则有：12c c u u =-。