3.2 差動放大器

3.2.1 基本差動放大器

差動放大器的出現是為了解決直接耦合放大電路存在的零點漂移問題，另外差動放大器還具有靈活的輸入、輸出方式。基本差動放大電路如圖3-4所示。

差動放大電路在電路結構上具有對稱性，三極管VT1、VT2同型號，R1=R2，R3=R4，R5=R6，R7=R8。輸入信號電壓Ui經R3、R4分別加到VT1、VT2的基極，輸出信號電壓Uo從VT1、VT2集電極之間取出，Uo=Uc1-Uc2。

1. 抑制零點漂移原理

當無輸入信號（即Ui=0V）時，由于電路的對稱性，VT1、VT2的基極電流Ib1=Ib2，Ic1=Ic2，所以Uc1=Uc2，輸出電壓Uo=Uc1-Uc2=0V。

當環境溫度上升時，VT1、VT2的集電極電流Ic1、Ic2都會增大，Uc1、Uc2都會下降，但因為電路是對稱的（兩三極管同型號，并且它們各自對應的供電電阻阻值也相等），所以Ic1、Ic2增大量是相同的，Uc1、Uc2的下降量也是相同的，因此Uc1、Uc2還是相等的，故輸出電壓Uo=Uc1-Uc2=0V。

也就是說，當差動放大電路工作點發生變化時，由于電路的對稱性，兩電路變化相同，故輸出電壓不會變化，從而有效抑制了零點漂移。

2. 差模輸入與差模放大倍數

當給差動放大電路輸入信號電壓Ui時，Ui加到R1、R2兩端，因為R1=R2，所以R1兩端的電壓Ui1與R2兩端的電壓Ui2相等，并且Ui1=Ui2=（1/2）Ui。當Ui信號正半周期到來時，Ui電壓極性為上正下負，Ui1、Ui2兩電壓的極性都是上正下負，Ui1的上正電壓經R3加到VT1的基極，Ui2的下負電壓經R4加到VT2的基極。這種大小相等、極性相反的兩個輸入信號稱為差模信號，差模信號加到電路兩個輸入端的輸入方式稱為差模輸入。

以Ui信號正半周期來時為例：Ui1上正電壓加到VT1基極，Ub1電壓上升，Ib1電流增大，Ic1電流增大，Uc1電壓下降；Ui2下負電壓加到VT2基極時，Ub2電壓下降，Ib2電流減小，Ic2電流減小，Uc2電壓增大；電路的輸出電壓Uo=Uc1-Uc2，因為Uc1＜Uc2，故Uo＜0V，即當輸入信號Ui為正值（正半周期）時，輸出電壓為負值（負半周期），輸入信號Ui與輸出信號Uo是反相關系。

差動放大電路在差模輸入時的放大倍數稱為差模放大倍數Ad，且

另外，根據推導計算可知：上述差動放大電路的差模放大倍數Ad與單管放大電路的放大倍數A相等。差動放大電路多采用一個三極管，并不能提高電路的放大倍數，而只是用來抑制零點漂移。

3. 共模輸入與共模放大倍數

圖3-5所示是另一種輸入方式的差動放大電路。在圖中，輸入信號Ui一路經R3加到VT1的基極，另一路經R4加到VT2的基極，送到VT1、VT2基極的信號電壓大小相等、極性相同。這種大小相等、極性相同的兩個輸入信號稱為共模信號；共模信號加到電路兩個輸入端的輸入方式稱為共模輸入。

以Ui信號正半周期輸入為例：Ui電壓極性是上正下負，該電壓一路經R3加到VT1的基極，Ub1電壓上升，Ib1電流增大，Ic1電流增大，Uc1電壓下降；Ui電壓另一路經R4加到VT2的基極，Ub2電壓上升，Ib2電流增大，Ic2電流增大，Uc2電壓下降；因為Uc1、Uc2都下降，并且下降量相同，所以輸出電壓Uo=Uc1-Uc2=0V。也就是說，差動放大電路在輸入共模信號時，輸出信號為0。

差動放大電路在共模輸入時的放大倍數稱為共模放大倍數Ac，且

由于差動放大電路在共模輸入時，不管輸入信號Ui是多少，輸出信號Uo始終為0V，故共模放大倍數Ac=0。差動放大電路中的零點漂移就相當于共模信號輸入，比如當溫度上升時，引起VT1、VT2的Ib、Ic電流增大，就相當于正的共模信號加到VT1、VT2基極使Ib、Ic電流增大一樣，但輸出電壓為0V。實際上，差動放大電路不可能完全對稱，這使得兩電路的變化量就不完全一樣，輸出電壓就不會為0V，共模放大倍數就不為0。

共模放大倍數的大小可以反映差動放大電路的對稱程度，共模放大倍數越小，說明對稱程度越高，抑制零點漂移效果越好。

4. 共模抑制比

一個性能良好的差動放大電路，應該對差模信號有很高的放大能力，而對共模信號有足夠的抑制能力。為了衡量差動放大電路這兩個能力的大小，常采用共模抑制比KCMR來表示。共模抑制比是指差動放大電路的差模放大倍數Ad與共模放大倍數Ac的比值，即

共模抑制比越大，說明差動放大電路的差模信號放大能力越大，共模信號放大能力越小，抑制零點漂移能力越強，較好的差動放大電路共模抑制比可達到107。

3.2.2 實用的差動放大器

基本差動放大電路的元器件參數不可能完全對稱，所以電路仍有零點漂移存在，為了盡量減少零點漂移，可以對基本差動放大電路進行改進。下面就講幾種改進的實用差動放大電路。

1. 帶調零電位器的長尾式差動放大電路

帶調零電位器的長尾式差動放大電路如圖3-6所示。這種差動放大電路中的三極管VT1、VT2的發射極不是直接接地，而是通過電位器RP1、Re接負電源。

（1）調零電位器RP1的作用

由于差動放大電路不可能完全對稱，所以三極管VT1、VT2的Ib、Ic電流也不可能完全相等，Uc1與Uc2就不會相等，在無輸入信號時，輸出信號Uo=Uc1-Uc2不會等于0V。在電路中采用了調零電位器后，可以通過調節電位器使輸出電壓為0V。

假設電路不完全對稱，三極管VT1的Ib1、Ic1電流較VT2的Ib2、Ic2電流略大，那么VT1的Uc1就較VT2的Uc2小，輸出電壓Uo=Uc1-Uc2為負值。這時可以調節電位器RP1，將滑動端C向B端移動，電位器A端與C端的電阻阻值RAC會增大，C端與B端的電阻阻值RCB會減小，VT1的Ib1電流因RAC增大而減小（Ib1電流的途徑是：+VCC→R5→VT1的基極→發射極→RP1的AC段電阻→Re→-VCC），Ic1減小，Uc1上升；而VT2的Ib2電流因RCB減小而增大，Ic2增大，Uc2下降。這樣適當調節RP1的位置，可以使Uc1=Uc2，輸出電壓Uo就能調到0V。

（2）電阻Re和負電源的作用

當因溫度上升引起VT1、VT2的Ib、Ic電流增大時，Uc1、Uc2會同時下降而保持輸出電壓Uo不變，這樣雖然可以抑制零點漂移，但VT1、VT2的工作點已發生了變化，放大電路的性能會有所改變。電阻Re可以解決這個問題。

增加電阻Re后，當VT1、VT2的Ib、Ic電流增大時，這些電流都會流過電阻Re，Re兩端的電壓會升高，VT1、VT2的發射極電壓Ue會升高，VT1、VT2的Ib電流減小，Ic電流也會減小，Ib、Ic電流又降回到原來的水平。由此可見，增加了Re后，通過Re的反饋作用，不但可以使VT1、VT2的Ib、Ic電流穩定，同時可以抑制零點漂移，Re的阻值越大，這種效果越明顯。

電路中采用負電源的原因是：增加反饋電阻Re后，如果直接將Re接地，VT1、VT2的發射極電壓較高，基極電壓也會上升，VT1、VT2的動態范圍會變小，容易進入飽和狀態（當基極電壓大于集電極電壓，集電結正偏即會使三極管進入飽和狀態）；采用負電源可以拉低VT1、VT2的發射極電壓，進而拉低基極電壓，讓基極和集電極電壓差距增大，大信號來時基極電壓不易超過集電極電壓，VT1、VT2不容易進入飽和狀態，提高了VT1、VT2的動態范圍。

2. 帶恒流源的差動放大電路

在圖3-6所示的差動放大電路中，發射極公共電阻Re的阻值越大，三極管工作點的穩定性和抑制零點漂移的效果越好，但Re越大，需要的負電源越低，這樣才能讓三極管發射極電壓和基極電壓不會很高。

為了解決這個問題，可采用圖3-7所示帶恒流源的差動放大電路。這種差動放大電路中VT1、VT2發射極不是通過反饋電阻接負電源，而是通過VT3、R9、R10、R11構成的恒流源電路接負電源。

正、負電源經R10、R11為三極管VT3提供基極電壓，因為VT3的基極電壓由R10、R11分壓固定，那么它的Ib3、Ic3電流也就不會變化，即使因溫度上升使VT3的Ib3、Ic3增大，通過反饋電阻R9的作用，仍可以使Ib3、Ic3降回到正常水平，因為該電路可以保持電流Ib3、Ic3恒定，故將電流恒定的電路稱為恒流源電路。VT3的Ic3電流是由VT1的Ie1和VT2的Ie2電流組成，因為Ic3不會變化，所以Ie1、Ie2電流也就無法變化，VT1、VT2的靜態工作點也就得到穩定，同時也抑制了零點漂移。

該電路中VT3的集電極、發射極之間的等效電阻與R9的阻值不是很大，故負電源不用很低。

3.2.3 差動放大器的幾種連接形式

在實際使用時，差動放大器通常有下面幾種連接形式。

1. 雙端輸入、雙端輸出形式

雙端輸入、雙端輸出形式的差動放大器如圖3-8所示。

輸入信號Ui經R1、R2分壓后，在R1、R2上分別得到大小相等的電壓Ui1、Ui2，當Ui正半周信號來時，Ui1、Ui2的極性都為上正下負，Ui1的上正電壓送到VT1基極，Ui2的下負電壓送到VT2基極，放大后在VT1、VT2的集電極分別得到Uc1和Uc2電壓，輸出信號從兩三極管集電極取出，Uo=Uc1-Uc2。

雙端輸入、雙端輸出形式的差動放大器的差動放大倍數與單管放大倍數A相等，即Ad=A。

2. 雙端輸入、單端輸出形式

雙端輸入、單端輸出形式的差動放大器如圖3-9所示。

輸入信號Ui經R1、R2分壓后分別得到大小相等的Ui1、Ui2電壓，它們的極性相反，分別送到VT1、VT2的基極，放大后在VT1、VT2的集電極分別得到Uc1和Uc2電壓，輸出信號只從三極管VT1集電極取出，Uo=Uc1。

雙端輸入、單端輸出形式的差動放大器的差動放大倍數Ad是單管放大倍數A的一半，即。

3. 單端輸入、雙端輸出形式

單端輸入、雙端輸出形式的差動放大器如圖3-10所示。輸入信號一端接到VT1的基極，另一端在接到VT2基極的同時也接地，所以該電路是單端輸入。

當輸入信號Ui為上正下負時，上正電壓經R3加到VT1的基極，VT1的Ib1增大，Ic1也增大，Uc1下降；VT1的Ie1增大（因為Ib1、Ic1是增大的），流過Re的電流增大，兩個三極管的發射極電壓（Ue1=Ue2）都增大，VT2的Ue2增大，Ib2電流會減小，Ic2電流減小，Uc2電壓上升。因為在放大信號時，Uc1下降時Uc2上升（或Uc1上升時Uc2會下降），輸出電壓取自兩集電極電壓差，即Uo=Uc1-Uc2，這個值較大。

單端輸入、雙端輸出形式的差動放大器的差動放大倍數與單管放大倍數A相等，即Ad=A。

4. 單端輸入、單端輸出形式

單端輸入、單端輸出形式的差動放大器如圖3-11所示，它與圖3-10所示的電路一樣，都是單端輸入，但它的輸出電壓只取自VT1的集電極，Uo=Uc1，Uo的值比較小。

單端輸入、單端輸出形式的差動放大器的差動放大倍數Ad是單管放大倍數A的一半，即。

綜上所述，不管差動放大器是哪種輸入方式，其放大倍數只與電路的輸出形式有關：采用了單端輸出形式，它的放大倍數較小，只有單管放大倍數的一半；采用了雙端輸出形式，它的放大倍數與單管放大倍數相同。