4 实验五 差分放大器

实验五差分放大器3学时一、实验目的.学习调整差分放大器的静态工作点。.加深对差分放大器性能及特点的理解。.学习差分放大器主要性能指标的测试方法。二、预习要求.复习差分放大器的工作原理和性能分析方法。.画出完整正确的实验电路。.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。.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。输入电压七和七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，u=U，故输出电压u广0。如果温度升高使妇］增大，u顷减小：则；:也将增大，Uc2也将减小，而且两管变化的幅度相等，结果T1和T2输出端的零点漂移将互相抵消。12+Vfr*cc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"11和un。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uid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%表示。_2Id顶1uIdu2_2Id顶1uIdu2idR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u和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1入电压的组合，其中差模输入电压u和共模输入电压uc的值分别为u=u—uu=2(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。uu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。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，用当表示，即AWdAuid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A表示，即cAuic差分放大电路的共模抑制比用符号K(Common-moderejectionratio)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

A—dAcA—dAc共模抑制比能够描述差分放大电路对零漂的抑制能力，kCMR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a，则t、t的u112集电极输出电压的变化量分别为Au=-2AAuAu=一2AAu则放大电路输出电压的变化量为Au=Au-Au=AAu所以差分放大电路的差模电压放大倍数为Au,o=AAuu1Id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1=1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。1=1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，t和T的集电极电压完全相等，输出电压等于0，则共模电压放大倍或a=0，共模抑制比K=3。"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A。0，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”，所以这种电路称为长尾式差分放大电路。uR..—1+uR..—1+V长尾电阻R的作用是引入一个共模负反馈，也就是说，R对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,、/同时增加，使流过发射极电阻R的电流七增加，于是发射极电位u升高，反馈到两管的基极回路中，使；、U降低，从而限制EBE1BE2了、、iC2的增加。"'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,•增加多少，i就减少同样的数量，因而流过R的C1C2电流总量保持不变，则Au=0，所以对于差模信号没有反馈作用。R引入的共模负反馈^使共模放大倍数A减小，降低了每个管子的零点漂移。但对差模放大倍数A没有葛响，因此提高了电路的共模抑制比。'R愈大，共模反馈愈强，则抑制零漂的效果愈好。但是，随着R的增大，R上的直流压降愈来愈大。为此，在电路中引入一个负电源匕£来补偿R上的直流压降，以免输出电压变化范围太小。引入y以后，静态基极电流可由y提供，因此可以不接基极电阻%,匾图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p=p=。，r=r=r，R=R=R，R=R=R，故可认为I=I=I，be1be2beclc2c12BQ1BQ2BQI=I=I，U=U=U，U=U=U，由三极管的CQ1CQ2CQBEQ1BEQ2BEQCQ1CQ2CQ基极回路可得：IBQR+UBEQ+2】EQRe='则静态基极电流为I=_L^Le^BQR+2（1+p）Re静态集电极电流和电位为ICQ*PIBQu=y-1r（对地）静态基极电位为UB=-IQR（对地）（3）动态分析由于接入长尾电阻R后，当输入差模信号时流过R的电流不变，UE相当于一个固定电位，在交流通路中可将R视为短路，因此血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Rl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TOC\o"1-5"\h\z认为R中点处的电位保持不变，也就是说，在R/2处相当于交流接地。'根据交流通路可得'Ai=MbiR+rbeAi=PAiC1B1则Au=Au=—Ai(RC1C1II与7AuR+r11be同理AuAu=—AiC2C2IIR7AuR+r12be故输出电压为(P(Rk(P(RkcIlR1

IILI—"―^(AU—Au)R+r1112be则差模电压放大倍数为P(R|A'

kc2)R+rbeAw=Aw一AwAudAu—Au1112从两管输入端向里看，差模输入电阻为Rd=2(R+七)。EE+V。EE+VCC两管集电极之间的输出电阻为R=2R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U为零，常常接入调零电位器RW，如图5.6所示。°w3.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R愈大，则共模负反馈作用愈强，抑制零漂的效果愈好。但是人愈大，为了得到同样的e工作电流所需的负电源々的值愈高。希望既要抑制零漂的效果比较好，同时又不要求过篱的V值。为此，可以考虑采用一个三极管代替原来的长尾电阻R广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△纺时，集电极电流,：基本不变。此时三极管c、e之间的等效电阻：=竺中的值很大』用恒流三极管充当一个阻值很大的长C尾电阻R,既可在不用大电阻的条件下有效的抑制零漂，又适合e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。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t的3基极电位由电阻R、R分压后得到，可认为基本不受温度变化的影响，则当温度变化时寸T的发射极电位和发射极电流也基本保3持稳定，而两个放大管的集电极电流,、/之和近似等于,，所C1C2C3以、和农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T的具体电路画出，而采用一个简化的恒流源符号来表示，如3图5.8所示。

+V—*CCRR图5.7恒流源式差分放大电路++V—*CCRR图5.7恒流源式差分放大电路-V——-EE图5.8恒流源式差分放大电路的简化表示法静态分析TOC\o"1-5"\h\z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，当忽略匕的基流时，r嚣上电压为3"1KrVCC+VEE)b1b2则恒流管T的静态电流为3InI=BEQ3CQ3EQ3Re于是可得到两个放大管的静态电流和电压为

'CQ1'cQ22'CQ3UCQ1=Ucq2=VCC-IcqiR（对地）'BQ1'BQ2p'cQ11U=U=-1R（对地）（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当、差模输入电阻％和输出电阻r均相同。'"o本次实验采用的差分放大电路如图5.9所示。t和t为3DG6对管，12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r和t起控制和放大

电压或电流作用；R］和R2为差分对管的集电极负载电阻；％~日5构成差分对管的直流电阻2；R调零电位器用来调节T和T的静态W12工作点，使得输入信号V〔0时，双端输出电压V。0；re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。A，B二1510—R—]5T_L10A，B二1510—R—]5T_L10R210kL100RE110k110kV1CC+12V-12VVCC当图5.9中的开关k拨向右边时（如图5.11所示），三极管t3和电阻R、R、R组成的怛流源具有很大的电阻，以代替基本差分放大器站的R.大大提高差分放大器抑制共模信号的能力。差分放大器由有关主要技术指标和静态工作点的分析计算方法如下：.静态工作点的估算（1）典型电路I-V-V

1CCiRE-IBE当VbI-V-V

1CCiRE-IBE当Vb1=VB2〜0时'C1'C22(2)恒流源电路R6VCC—(—VCC)]-VR5+R6be31XRE3IIC1=IC2="T2.差模电压增益和共模电压增益当差分放大器的射极电阻R足够大，或采用恒流源电路时，差模电压增益当主要由输出方式决定。当图5.9中R1=R2=RB,R=R=R，则R处在中心位置时，差分放大器双端输出的差C1C2CW模电压增益为A=二=-|R的VR+r+1(1+P)RBbe2W单端输出的差模电压增益为A=C1dVd1VidVA=C2dVd2Vid=工=1AV2Vd-V/21■=od=——AVid2Vd当输入共模信号时，单端输出的电压增益为AVC1=a=Vc=—PRC.〜VC2Vn(1AicR+r+(1+P)-R+2RBbek2WE)R

—c-

2RE当输入共模信号时，在理想情况下，双端输出的电压增益A=—oc=0vcyi实际上，由于元件不可能完全对称。因此，Ayc一般不会绝对等于零。3.共模抑制比KCMR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K=LCMRAVC当用对数表示时，则K(dB)=20logAvd-CMRAVC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实验仪器序号仪器名称型号主要功能主要特点1模拟电路实验箱SBL型提供电源、元器件、组装电路及实验平台功能强、操作方便2数字万用表CDM-8045A型测量交直流电压、电流和电阻功能强、读数直观3功率函数信号发生器SP1631A型信号源、频率计性能可靠、频率宽4双踪示波器CS-4125A型观察信号波形、测量电压大小、周期等参数功能强、测量精度高五、实验内容按图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。.通电检查电路的工作情况，若出现故障给予排除。.典型差分放大电路性能测试。图5.9中的电路，开关&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、8与地短接，接通+12V直流电源，用数字万用表的直流电压档测量输出电压V，调节调零电位器R，使V=0。若100Q电位器现存没有，面可用两个51Q加并一个kQ菠的电位器代替，如图5.12所示Rw14700,h11O\fu510*1151D图5.12等效100。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20V档测量T1T管的各电极电位及Re两端的电压VRE，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七（V）V(V)B1V(V)E1V”(V)V(V)82V(V)——E2V(V)——RE实测计算值I(mA)IB(mA)L(V)理论计算值I(mA)I(mA)BL(V)（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1kHz，幅度约为100mV，然后接通土12V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v、v、v、v并记录于表5.3中，而且观察v、七、七之间的相位关系。如果测量v时因浮地有干扰，可分别C测A点知B点对地之间的电压，两者之差为匕。(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vC调为iv，在放大器输出波形正常的情况下测量v、v、v值，并记录于表5.3中(包括用示波器观察v、v、C1CC2CoCiCC1Cv的相位)C2C4.具有恒流源的差分放大器性能测试将图5.9所示电