差动放大器(差分放大器)基础知识

差动放大器(差分放大器)基础知识

差动放大器又称差分放大器，几乎所有集成运算放大器的输入级都采用这种电路，因为它对抑制零点漂移，提高共模抑制比起到关键的作用。

5.2.1 零点漂移

在直接耦合放大电路中，通常把输入信号为零时的输出电压（或电流），也即是静态输出工作点的电压（或电流）作为参考电压（或参考电流），称为“零点”。“零点”绝不是专指电位为零的那个端点，不可望文生义。

如果直接耦合放大器（或称直流放大器）的电源电压发生波动，或者环境温度发生变化，都会引起“零点”的电压（或电流）值发生变化，而这种变化是缓慢的，人们称之为“零点漂移”

晶体管的直流参数B、UBE和ICBO均是温度函数。在常温下，随温度的升高，将引起B和ICBO的增大和UBE的减小，这都使集电极电流Ic增大，集电极 发射极间电压UcE减小，产生零点漂移。在工程中，往往需要放大一些缓慢变化的弱信号，在直接耦合放大器的输出端将出现信号的物理量和零点漂移的物理量的迭加。假若信号物理量远大于漂移物理量，人们可以忽略漂移的影响，认为输出物理量就是信号量。若信号物理量与漂移物理量之比相当或者更小，人们无法区分这两种物理量，这种放大将失去意义。

衡量放大器零点漂移的程度，或者说大小，采用温度漂移，简称温漂的技术指标。人们通常规定：温度每升高1℃时，引起放大器的等效输入漂移量称为温漂。

例如：某直流放大器在基准环境温度为20 ℃时，直流放大倍数为100倍，输入信号为零时，输出端电压为4V，若环境温度上升到30 ℃时，输入信号仍为零，而输出电压为4.05V。输出端漂移电压为0.05V，该电压除以放大倍数，就是折合到输入端漂移电压为0.5mV，再除以温度变化量便是温度漂移，为50 μV/℃。

克服零点漂移最有效的措施之一，就是采用差动放大器。

5.2.2 差动放大器的工作原理

1.静态分析

差动放大器的基本电路如图5.10所示。

假设T1和T2管电参数完全一致，电路两边结构、阻值完全对称。当两输入电压Ui1和Ui2都为零，即两输入端同时接地时。图中各物理量估值如下，由于基极电阻RB的阻值和基极电流IB的值通常均很小，不考虑的RB电压降可得

2.差模信号与共模信号

双端输入信号分别是Ui1和Ui2 ，现在定义：两输入信号之差为差模输入信号，记作Uid 。

Uid = Ui1— Ui2 (5.13)

定义：两输入信号之平均值为共模输入信号，记作Uic。

3.小信号差模特性分析

当两输入端仅有差模信号而没有共模信号时，设左正右负，则T1管射极电流增加的量与T2管射极电流减少的量相等，则IE不变，UE也不变。换句话说，RE中没有交流电流流过，则两管发射极可视为交流接地。该差放交流等放电路如图5.11所示。

根据共射放大器的一般原理可得：





4.小信号共模特性分析

当两输入端仅有共模信号，而没有差模信号时，设左右均为正，则T1管、T2管射极电流均增大，则IE增大，增UE高，U01和U02 同时减小。RE可用两只2RE的电阻并联所取代。共模输入时的交流等效电路如图5.12所示。

由于两管特性一致，电路对

称，所加为共模电压，故两

管发射极等电位，两管发射

极间的连线中无电流，该连

线可以去掉，而不影响电路

分析。

5.共模抑制比

共模抑制比定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，用CMRR表示：



从式(5.24)中可以看出增大RE可以增加CMRR的值，但是，由于UEE和UCQ的限制，使得增大RE有限，通常为几千欧。用电流源取代RE ，便是集成电路差放输入级常用的作法。电流源在上一节已讲述过了。对于镜像电流源的输出电阻r0=rce。对于比例电流源或微电流源的输出电阻则更高。



6.差动放大器的大信号特性

大信号作用下，晶体管工作进入非线性区（饱和、载止区），将使差模输出信号产生严重失真。下面从发射结的伏安特性入手来研究这种失真。若令图5.13中的RB=0，有如下关系



将式(5.26)和式(5.27)绘制出差放转移特性曲线，如图5.13所示。从曲线可以看出：

（1）当Uid/UT在±1之间，Uid与Ic1、具有良好的线性关系。

（2）当Uid/UT在±2之间，Uid与Ic1 、 Ic2具有准线性关系。

（3）当Uid/UT在±4之外， Ic1或Ic2中一个趋于限幅（极限为 IE），另一个趋于截止。输出差模信号严重失真。

为了扩大差动放大器输入大信号的线性或准线性的应用范围，可采用如下的方法：

（1）差动放大器采用复合管接法。例如NPN—NPN接法，或NPN—PNP接法（共集—共基接法）。

（2）差动放大器采用负反馈，即在两只三级管的发射极各串接一只小电阻，起到电流串联负反馈作用。但这种方法是以牺牲差模放大倍数为代价的。如果用一只电位器取代这两只小电阻，该电路还可以起到调节实际差放的平衡问题。

7.差动放大器的单端化电路

如前所述，单端输出的差动放大器，虽可以实现双端输入—单端输出的功能，但是，它的差模增益仅是双端输出差放的一半，而共模抑制比更是小得多得多。为了克服上述的缺点，利用电流源作为有源负载，构成差动放大器的单端化电路，见图5.14。



图中T3和T4管为镜像电流源，作为差放管T1、T2的负载。

(1) 在两输入端均接地的情况下，四只晶体管中的电流为静态工作点电流，假若完全相等，即Ic1 = Ic2 = Ic3 = Ic4 ，则输出电流I0 = 0。



(3) 在输入共模信号的情况下，四只晶体管增加(或减少)的电流完全一致，于是共模输出电流I0 =0，这和差动放大器双端输出时共模输出电压为零的情况一样。

差动放大器的单端化电路被集成运算放大器普遍地采用。