3.2 差动放大器

3.2.1 基本差动放大器

差动放大器的出现是为了解决直接耦合放大电路存在的零点漂移问题，另外差动放大器还具有灵活的输入输出方式。基本差动放大电路如图3-4所示。

差动放大电路在电路结构上具有对称性，晶体管VT₁、VT₂同型号，R₁=R₂，R₃=R₄，R₅=R₆，R₇=R₈。输入信号电压U_i经R₃、R₄分别加到VT₁、VT₂的基极，输出信号电压U_o从VT₁、VT₂集电极之间取出，U_o=U_c1-U_c2。

1.抑制零点漂移原理

当无输入信号（即U_i=0）时，由于电路的对称性，VT₁、VT₂的基极电流I_b1=I_b2，I_c1=I_c2，所以U_c1=U_c2，输出电压U_o=U_c1-U_c2=0。

当环境温度上升时，VT₁、VT₂的集电极电流I_c1、I_c2都会增大，U_c1、U_c2都会下降，但因为电路是对称的（两个晶体管同型号，并且它们各自对应的供电电阻阻值也相等），所以I_c1、I_c2的增大量是相同的，U_c1、U_c2的下降量也是相同的，因此U_c1、U_c2还是相等的，故输出电压U_o=U_c1-U_c2=0。

也就是说，当差动放大电路的工作点发生变化时，由于电路的对称性，两电路的变化相同，故输出电压不会变化，从而有效抑制了零点漂移。

2.差模输入与差模放大倍数

当给差动电路输入信号电压U_i时，U_i加到R₁、R₂的两端，因为R₁=R₂，所以R₁两端的电压U_i1与R₂两端的电压U_i2相等，并且U_i1=U_i2=（1/2）U_i。当U_i信号正半周期来时，U_i电压极性为上正下负，U_i1、U_i2两电压的极性都是上正下负，U_i1的上正电压经R₃加到VT₁的基极，U_i2的下负电压经R₄加到VT₂的基极。这种大小相等、极性相反的两个输入信号称为差模信号；差模信号加到电路两个输入端的输入方式称为差模输入。

以U_i信号正半周期来时为例：U_i1上正的电压加到VT₁基极，电压U_b1上升，电流I_b1增大，电流I_c1增大，电压U_c1下降；U_i2下负的电压加到VT₂基极时，电压U_b2下降，电流I_b1减小，电流I_c2减小，电压U_c2增大；电路的输出电压U_o=U_c1-U_c2，因为U_c1<U_c2，故U_o<0，即当输入信号U_i为正值（正半周期）时，输出电压为负值（负半周期），输入信号U_i与输出信号U_o是反相关系。

差动放大电路在差模输入时的放大倍数称为差模放大倍数A_d，即

另外，根据推导计算可知：上述差动放大电路的差模放大倍数A_d与单管放大电路的放大倍数A相等，差动放大电路多采用了一个晶体管并不能提高电路的放大倍数，而只是用来抑制零点漂移。

3.共模输入与共模放大倍数

图3-5所示为另一种共模输入的差动放大电路。

在图3-5中，输入信号U_i一路经R₃加到VT₁的基极，另一路经R₄加到VT₂的基极，送到VT₁、VT₂基极的信号电压大小相等、极性相反。这种大小相等、极性相同的两个输入信号称为共模信号；共模信号加到电路两个输入端的输入方式称为共模输入。

以U_i信号正半周期输入为例：U_i电压极性是上正下负，该电压一路经R₃加到VT₁的基极，电压U_b1上升，电流I_b1增大，电流I_c1增大，电压U_c1下降；电压U_i另一路经R₄加到VT₂的基极，电压U_b2上升，电流I_b2增大，电流I_c2增大，电压U_c2下降；因为U_c1、U_c2都下降，并且下降量相同，所以输出电压U_o=U_c1-U_c2=0。也就是说，差动放大电路在输入共模信号时，输出信号为0V。

差动放大电路在共模输入时的放大倍数称为共模放大倍数A_c，即

由于差动放大电路在共模输入时，不管输入信号U_i是多少，输出信号U_o始终为0V，故共模放大倍数A_c=0。差动放大电路中的零点漂移就相当于共模信号输入，比如当温度上升时，引起VT₁、VT₂的电流I_b、I_c增大，就相当于正的共模信号加到VT₁、VT₂基极使电流I_b、I_c增大一样，但输出电压为0V。实际上，差动放大电路不可能完全对称，这使得两个电路的变化量就不完全一样，输出电压就不会为0V，共模放大倍数就不为0。

共模放大倍数的大小可以反映差动放大电路的对称程度，共模放大倍数越小，说明对称程度越高，抑制零点漂移的效果越好。

4.共模抑制比

一个性能良好的差动放大电路，应该对差模信号有很高的放大能力，而对共模信号有足够的抑制能力。为了衡量差动放大电路这两个能力的大小，常采用共模抑制比K_CMR来表示。共模抑制比是指差动放大电路的差模放大倍数A_d与共模放大倍数A_c的比值，即

共模抑制比越大，说明差动放大电路的差模信号放大能力越大，共模信号放大能力越小，抑制零点漂移能力越强，较好的差动放大电路共模抑制比可达到10⁷。

3.2.2 实用的差动放大器

基本差动放大电路的元件参数不可能完全对称，所以电路仍有零点漂移存在，为了尽量减少零点漂移，可以对基本差动放大电路进行改进。下面介绍几种改进的实用差动放大电路。

1.带调零电位器的长尾式差动放大电路

带调零电位器的长尾式差动放大电路如图3-6所示。这种差动放大电路中的晶体管VT₁、VT₂的发射极不是直接接地，而是通过电位器RP₁、R_e接负电源。

（1）调零电位器RP₁的作用

由于差动放大电路不可能完全对称，所以晶体管VT₁、VT₂的电流I_b、I_c也不可能完全相等，U_c1与U_c2就不会相等，在无输入信号时，输出信号U_o=U_c1-U_c2不会等于0V。在电路中采用了调零电位器后，可以通过调节电位器使输出电压为0V。

假设电路不完全对称，晶体管VT₁的电流I_b1、I_c1较VT₂的电流I_b2、I_c2大，那么VT₁的U_c1就比VT₂的U_c2小，输出电压U_o=U_c1-U_c2为负值。这时可以调节电位器RP₁，将滑动端C向B端移动，电位器A端与C端的电阻R_AC会增大，C端与B端的电阻R_CB会减小，VT₁的电流I_b1因R_AC的增大而减小（电流I_b1的途径是：+V_CC→R₅→VT₁的b极→e极→RP₁的AC段电阻→R_e→-V_CC），I_c1减小，U_c1上升；而VT₂的电流I_b2因R_CB的减小而增大，I_c2增大，U_c2下降。这样适当调节RP₁的位置，可以使U_c1=U_c2，输出电压U_o就能调到0V。

（2）电阻R_e和负电源的作用

当因温度上升引起VT₁、VT₂的电流I_b、I_c增大时，U_c1、U_c2会同时下降而保持输出电压U_o不变，这样虽然可以抑制零点漂移，但VT₁、VT₂的工作点已发生了变化，放大电路的性能会有所改变。电阻R_e可以解决这个问题。

增加电阻R_e后，当VT₁、VT₂的电流I_b、I_c增大时，这些电流都会流过电阻R_e，R_e两端的电压会升高，VT₁、VT₂的发射极电压U_e会升高，VT₁、VT₂的电流I_b减小，电流I_c也会减小，电流I_b、I_c又降回到原来的水平。由此可见，增加了R_e后，通过R_e的反馈作用，不但可以使VT₁、VT₂的电流I_b、I_c稳定，同时可以抑制零点漂移，R_e的阻值越大，这种效果越明显。

电路中采用负电源的原因是：增加反馈电阻R_e后，如果直接将R_e接地，VT₁、VT₂的发射极电压较高，基极电压也会上升，VT₁、VT₂的动态范围会变小，容易进入饱和状态（当基极电压大于集电极电压，集电结正偏即会使晶体管进入饱和状态）；采用负电源可以拉低VT₁、VT₂的发射极电压，进而拉低基极电压，让基极和集电极电压差距增大，大信号来时基极电压不易超过集电极电压，VT₁、VT₂不容易进入饱和，提高了VT₁、VT₂的动态范围。

2.带恒流源的差动放大电路

在图3-6所示的差动放大电路中，发射极公共电阻R_e的阻值越大，晶体管工作点的稳定性和抑制零点漂移的效果越好，但R_e越大，需要的负电源越低，这样才能让晶体管发射极电压和基极电压不会很高。

为了解决这个问题，可以采用图3-7所示的带恒流源的差动放大电路。这种差动放大电路中VT₁、VT₂发射极不是通过反馈电阻接负电源，而是通过VT₃、R₉、R₁₀、R₁₁构成的恒流源电路接负电源。

3.2.3 差动放大器的几种连接形式

在实际使用时，差动放大器通常有下面几种连接形式。

1.双端输入、双端输出形式

双端输入、双端输出形式的差动放大器如图3-8所示。

2.双端输入、单端输出形式

双端输入、单端输出形式的差动放大器如图3-9所示。

3.单端输入、双端输出形式

单端输入、双端输出形式的差动放大器如图3-10所示。输入信号一端接到VT₁的基极，另一端在接到VT₂基极的同时也接地，所以该电路是单端输入。

4.单端输入、单端输出形式

单端输入、单端输出形式的差动放大器如图3-11所示，它与图3-10所示的电路一样都是单端输入，但它的输出电压只取自VT₁的集电极，U_o=U_c1，故U_o的值比较小。

单端输入、单端输出形式的差动放大器的差动放大倍数A_d是单管放大倍数A的一半，即A_d=（1/2）A。

综上所述，不管差动放大电路是哪种输入方式，其放大倍数只与电路的输出形式有关：采用了单端输出形式，它的放大倍数较小，只有单管放大倍数的一半；采用了双端输出形式，它的放大倍数与单管放大倍数相同。