实验5-差动放大电路

1、电子技术实验电子技术实验差动放大电路差动放大电路熟悉差动放大器的工作原理；熟悉差动放大器的工作原理；掌握差动放大器的基本测试方法。掌握差动放大器的基本测试方法。实验目的实验目的实验原理实验原理关于直接耦合式放大电路：关于直接耦合式放大电路：在工业控制中的很多物理量均为模拟量，如温度、流在工业控制中的很多物理量均为模拟量，如温度、流量、压力、液位、长度、气体浓度等等，对它们的测量、压力、液位、长度、气体浓度等等，对它们的测量是通过各种不同的传感器来完成的。量是通过各种不同的传感器来完成的。传感器将这些物理量转化成的微弱的电信号，这些信传感器将这些物理量转化成的微弱的电信号，这些信号的变化是非常缓

2、慢的、非周期性的。由于这类信号号的变化是非常缓慢的、非周期性的。由于这类信号非常微弱，只有通过放大才能驱动负载；又由于信号非常微弱，只有通过放大才能驱动负载；又由于信号变化缓慢，采用阻容耦合方式是不行的，所以应采用变化缓慢，采用阻容耦合方式是不行的，所以应采用直接耦合式放大电路。直接耦合式放大电路。直接耦合式放大电路的零点漂移现象：直接耦合式放大电路的零点漂移现象：在实验中我们发现，直接耦合式放大电路中，即使将在实验中我们发现，直接耦合式放大电路中，即使将输入端短路，用灵敏的直流表测量输出端，也会有变输入端短路，用灵敏的直流表测量输出端，也会有变化缓慢的输出电压。这种输入电压为零而输出电压不化

3、缓慢的输出电压。这种输入电压为零而输出电压不为零且缓慢变化的现象称为零点漂移现象。在放大电为零且缓慢变化的现象称为零点漂移现象。在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的博大、元件的路中，任何参数的变化，如电源电压的博大、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化，都老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化，都将产生输出电压的漂移。在阻容耦合放大电路中，这将产生输出电压的漂移。在阻容耦合放大电路中，这种缓慢变化的漂移电压都将降落在耦合电容之上，而种缓慢变化的漂移电压都将降落在耦合电容之上，而不会传递到下一级电路进一步放大。但是在直接耦合不会传递到下一级电路进一步放大。但是在直接耦合放大

4、电路中，由于前后直接相连，前一级的漂移电压放大电路中，由于前后直接相连，前一级的漂移电压会和有用信号一起被送到下一级，而且逐级放大，以会和有用信号一起被送到下一级，而且逐级放大，以至于有时在输出端很难区分什么是有用信号、什么是至于有时在输出端很难区分什么是有用信号、什么是漂移电压，放大电路不能正常工作。漂移电压，放大电路不能正常工作。实验原理实验原理温漂现象：温漂现象：采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元件就采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元件就可以大大减小零点漂移。可以大大减小零点漂移。半导体材料是对温度极其敏感的，由温度变化所引起半导体材料是对温度极其敏感的，由温度变化所引起

5、的半导体参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，的半导体参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。实验原理实验原理抑制温度漂移的方法：抑制温度漂移的方法：在电路中引入直流负反馈；在电路中引入直流负反馈；采用温度补偿的方法；采用温度补偿的方法；采用特性相同的三极管，使它们的温漂互相抵消，构成采用特性相同的三极管，使它们的温漂互相抵消，构成“差动放大电路差动放大电路”。差动放大电路是模拟集成运算放大。差动放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。器输入级所采用的电路形式。实验原理实验原理差动放大电路的主要技术指标差

6、动放大电路的主要技术指标: :差模电压增益差模电压增益AudAud共模电压增益共模电压增益AucAuc共模抑制比共模抑制比K KCMRRCMRR典型差动放大电路典型差动放大电路: :差动放大器由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。差动放大器由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。当两个输入端施加大小相等极性相同（共模）的信号时，由当两个输入端施加大小相等极性相同（共模）的信号时，由于电路的对称性于电路的对称性T1T1、T2T2所产生的电流变化相等，所产生的电流变化相等，IIB1B1= I= IB2B2、 IIC1C1= I= IC2C2；因此集电极上的点位的变化也相等，即；因此集电极上的

7、点位的变化也相等，即VVC1C1= = VVC2C2 。这说明差动电路对共模信号有抑制作用。这说明差动电路对共模信号有抑制作用。当当两个输入端施加大小相等极性相反（差模）的信号时，两个输入端施加大小相等极性相反（差模）的信号时， VVi1i1= -V= -Vi2i2 ，又由于参数对称，又由于参数对称，T1T1、T2T2管所产生的电流变管所产生的电流变化大小相等变化方向相反，化大小相等变化方向相反， IIB1B1= = IIB2B2、 IIC1C1= = IIC2C2；因此集电极上的电位的变化也是大小相等变化方向相；因此集电极上的电位的变化也是大小相等变化方向相反，即反，即VVC1C1=- V=

8、- VC2C2 ，这样得到的输出电压，这样得到的输出电压Vo=2VVo=2VC1C1 。实验原理实验原理差模信号差模信号VidVid：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号，即两个输是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号，即两个输入信号之差；入信号之差；共模信号共模信号VicVic：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号，即两个输是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号，即两个输入信号的算术平均值。例如温漂信号就属共模信号，它对差入信号的算术平均值。例如温漂信号就属共模信号，它对差分放大电路中两个输入端的的影响相同。分放大电路中两个输入端的的影响相同。实验原理实验原理如果输入信号

9、极性相同，幅度也相同，则是纯共模信如果输入信号极性相同，幅度也相同，则是纯共模信号。如果极性相同，但幅度不等，则可以认为既包含号。如果极性相同，但幅度不等，则可以认为既包含共模信号，又包含差模信号，应分开加以计算。共模信号，又包含差模信号，应分开加以计算。差模电压增益差模电压增益AudAud：指差动放大电路指差动放大电路对差模输入信号的放大倍数。对差模输入信号的放大倍数。差差模电压增模电压增益越大，放大电路的性能越好。益越大，放大电路的性能越好。实验原理实验原理idodVDVVA共模电压增益共模电压增益AucAuc：指差动放大电路共模输入信号的放大倍数。指差动放大电路共模输入信号的放大倍数。共

10、模电压增益共模电压增益越小，放大电路的性能越好。越小，放大电路的性能越好。共模抑制比共模抑制比K KCMRCMR：指差模电压放大倍数与共模放大倍数之比，它表明差动放指差模电压放大倍数与共模放大倍数之比，它表明差动放大电路对共模信号的抑制能力。大电路对共模信号的抑制能力。icOCVCVVAVCVDCMRAAKdBlg20cdCMRvvAAK或：或：改进型的差动电路：恒流源差动放大电路改进型的差动电路：恒流源差动放大电路实验原理实验原理为了提高共模抑制比应加大为了提高共模抑制比应加大R Re e 。但。但R Re e加大后，为保证工作点加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。可用恒

11、流源不变，必须提高负电源，这是不经济的。可用恒流源T T3 3来代来代替替R Re e 。恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流。恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。我们的实验源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。我们的实验电路就是这样的电路。电路就是这样的电路。晶体管工作在放大区时，晶体管工作在放大区时，集电极电流几乎仅取决于集电极电流几乎仅取决于基极电流而与管压降无关，基极电流而与管压降无关，当基极电流是一个不变的当基极电流是一个不变的直流电流时，集电极电流直流电流时，集电极电流就是一个恒定电流。就是一个恒定电流。在差分放大电路的

12、实际应用中，根据所放大信号的不同，在差分放大电路的实际应用中，根据所放大信号的不同，常采用以下四种连接常采用以下四种连接: :双端输入、双端输出（双双端输入、双端输出（双双）：双）：双端输入、单端输出（双双端输入、单端输出（双单）：单）：单端输入、双端输出（单单端输入、双端输出（单双）：双）：单端输入、单端输出（单单端输入、单端输出（单单）：单）：实验原理实验原理实验电路实验电路2021-12-20静态分析静态分析当输入信号为零时：当输入信号为零时：由于由于IB3 IB3和和 IB3： VB3=(R2/（R1+R2)*(12-(-12)-12=7.84V；而硅三极管的而硅三极管的VBE0.7，

13、则：，则： VE3 =7.840.7=-8.54V；IC3IE3=VE3/RE3=(-8.54+12)/3K=1.15mA; 由此可以看出：因为由此可以看出：因为VB3的电压相对不变，的电压相对不变，理论计算理论计算2021-12-20静态分析静态分析当输入信号为零时：当输入信号为零时：由于没有输入信号，所以：由于没有输入信号，所以：VB1=VB2=0V; VE1=VE2=0-0.7=-0.7V;VC3=VE1-0.5*IC3*0.5RP=-0.7-0.5*1.15*0.5*330=-0.79V由于由于IC3 IE3， IE1 IE2 0.5 IE3，所以，所以： IE1=IE2=0.5IE3

14、=0.577mA;VC1=VC2=VCC-IE1*RC=12-0.577*10*1000=6.23V理论计算理论计算动态分析动态分析1.1.双端输入、双端输出双端输入、双端输出: :有两个输出端有两个输出端- -集电极集电极C1C1和集电极和集电极C2C2。差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益共模抑制比：共模抑制比：输入阻抗：输入阻抗：输出阻抗：输出阻抗：理论计算理论计算021vvvicococvcAQCbbIrrRprR1bebeid/ )1 (26;)1 (2co2RR AAKvcvdCMRidLidoiiooidoVDRRvvvvvvvvA12121222/LCLRRR 动态

15、分析动态分析2.2.双端输入、单端输出：双端输入、单端输出：信号仅从集电极信号仅从集电极 C1C1或或C2 C2 对地输出。对地输出。差模电压增益：差模电压增益：共模电压增益：共模电压增益：共模抑制比：共模抑制比：输入阻抗：输入阻抗：输出阻抗：输出阻抗：理论计算理论计算2/LCLRRR oCobeCicocvcrrRrRvvA22111coRR beovcvdCMRrrAAK11idLidoiiooidoVDRRvvvvvvvvA121212QCbbIrrRprR1bebeid/ )1 (26;)1 (2动态分析动态分析3.3.单端输入、双端输出单端输入、双端输出差模电压增益：差模电压增益：共

16、模电压增益：共模电压增益：共模抑制比：共模抑制比：输入阻抗输入阻抗输出阻抗：输出阻抗：理论计算理论计算co2RR AAKvcvdCMR021vvvicococvcAQCbbIrrRprR1bebeid/ )1 (26;)1 (2idLidoiiooidoVDRRvvvvvvvvA12121222/LCLRRR 动态分析动态分析4.4.单端输入、单端输出单端输入、单端输出差模电压增益：差模电压增益：共模电压增益：共模电压增益：共模抑制比：共模抑制比：输入阻抗：输入阻抗：输出阻抗：输出阻抗：理论计算理论计算oCobeCicocvcrrRrRvvA22111coRR beovcvdCMRrrAAK1

17、1QCbbIrrRprR1bebeid/ )1 (26;)1 (2idLidoiiooidoVDRRvvvvvvvvA1212122/LCLRRR 1.1.测量静态工作点：测量静态工作点：连接电路：将输入端短路接地，接通直流电源；连接连接电路：将输入端短路接地，接通直流电源；连接图图( (见下页见下页) )；调节电位器使双端输出电压为调节电位器使双端输出电压为0V0V，也就是使，也就是使V VC1C1=V=VC2C2；测量静态工作点；测量静态工作点；实验操作实验操作对地电压对地电压VC1VC2VC3VB1VB2VB3VE1VE2VE3理论计算值理论计算值/V测量值测量值/V连接电路连接电路2.

18、2.测量差模放大倍数：测量差模放大倍数：在一个输入端接入在一个输入端接入0.1V0.1V电压信号，在另一输入端接入电压信号，在另一输入端接入-0.1V-0.1V电压信号；连接图电压信号；连接图( (见下页见下页) )；用万用表测量输出端电压：用万用表测量输出端电压：实验操作实验操作测量值测量值计算值计算值估算值估算值输入信号输入信号VC1VC2VC3AVD1AVD2AV双双AVD1AVD2AVD双双Vi1=0.1VVi2=-0.1V注：注： AVD1=（VO1-VO1Q）/（Vi1-Vi2）；）；VO1Q为为V1集电极静态电压；集电极静态电压； AVD2=（VO2-VO2Q）/（Vi1-Vi2

19、）；）； VO2Q为为V2集电极静态电压；集电极静态电压；注意：注意：由于由于2R1、2R4比较小，因此比较小，因此输入电压只要输入电压只要在界限后重新在界限后重新测量。测量。连接电路连接电路3.3.测量共模放大倍数：测量共模放大倍数：将两输入端短路接到直流信号源；连接图将两输入端短路接到直流信号源；连接图( (见下页见下页) )；用万用表测量输出端电压：用万用表测量输出端电压：实验操作实验操作测量值测量值计算值计算值共模抑制共模抑制比比输入信号输入信号VC1VC2VC3AVC1AVC2AVC双双KCMRVi1= Vi2= 0.1VVi1= Vi2= -0.1V注：注： AVC1=（VO1-V

20、O1Q）/Vi1；VO1Q为为V1集电极静态电压；集电极静态电压； AVC2=（VO2-VO2Q）/Vi2； VO2Q为为V2集电极静态电压；集电极静态电压； KCMR= AVD双双/AVC双双， AVD双双为差模放大倍数，用以上测量数据。为差模放大倍数，用以上测量数据。注意：注意：由于由于2R1，比，比较小，因此输较小，因此输入电压只要在入电压只要在接线后重新测接线后重新测量。量。连接电路连接电路4.4.单端输入电路的测量：单端输入电路的测量：在一个输入端接入在一个输入端接入0.1V0.1V电压信号，另一端接地；用万电压信号，另一端接地；用万用表测量测量输出电压；用表测量测量输出电压；在一个

21、输入端接入在一个输入端接入-0.1V-0.1V电压信号，另一端接地；用电压信号，另一端接地；用万用表测量输出端电压：万用表测量输出端电压：在一个输入端接入峰峰值为在一个输入端接入峰峰值为5050毫伏，频率为毫伏，频率为1KHZ1KHZ的正的正弦波交流信号，另一端接地；用示波器测量输出端电弦波交流信号，另一端接地；用示波器测量输出端电压波形。压波形。实验操作实验操作对地电压对地电压VC1VC2VC3AVD1AVD2AV双双Vi=0.1VVi=-0.1VVpp=50mV f=1khz注：注： AVD1=（VO1-VO1Q）/Vi1；VO1Q为为V1集电极静态电压；集电极静态电压； AVD2=（VO

22、2-VO2Q）/Vi1； VO2Q为为V2集电极静态电压；集电极静态电压； 在输入交流信号时，测量在输入交流信号时，测量VC1和和VC2之间电压应用示波器的之间电压应用示波器的CH1-CH2；注意：由于注意：由于2R12R1、2R42R4比较小，因比较小，因此输入电压要在此输入电压要在接线后重新测量、接线后重新测量、调整。调整。连接电路连接电路单端输入直流信号单端输入直流信号连接电路连接电路信信号号发发生生器器单端输入交流信号单端输入交流信号为使两个管工作在对称的状态，应调节为使两个管工作在对称的状态，应调节R RP P 使使V VC1C1和和V VC2C2之间之间的电压为的电压为0V0V；为尽量满足这个要求，应用万用表的直流；为尽量满足这个要求，应用万用表的直流200mV200mV档测量，使这个电压在十几毫伏以内，而不应用较档测量，使这个电压在十几毫伏以内，而不应用较大的量程测量。大的量程测量。由于实验箱上操作的空间较小，完成上述操作后应尽量避由于实验箱上操作的空间较小，完成上述操作后应尽量避免触碰免触碰RP ，以免影响测量数据的准确性