试验五差分放大器

1、实验五 差分放大器3 学时一、实验目的1学习调整差分放大器的静态工作点。2加深对差分放大器性能及特点的理解。3学习差分放大器主要性能指标的测试方法。二、预习要求1复习差分放大器的工作原理和性能分析方法。 2画出完整正确的实验电路。3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。4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（1）电路组

2、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 u I1 和 uI 2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 CQ1 U CQ 2 ，故输出电 压Uo 0。如果温度升高使lcQ1增大，Ucqi减小，则I CQ2也将增大，UCQ2也将减小，而且两管变化的幅度相等，结果Ti和T2输出端的零点漂移将互相抵消。Vcc1 riRciRc2Rb2+ -UoR2 Ul2Y , Tr I图5.1差分放大电路的基本形式UliR1I加

3、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 和U|2。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Uic表示。Ulio-+U|d1I1RciRc2Rb2+ -UoRiI-21Uid-2 R?Vcc图5.2差模输入电压实际上，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|i和U|2，我们可以将它们认为是某个差模输入 电压与某个共模输入电压的

4、组合，其中差模输入电压Uld和共模输入电压Uic的值分别为uid uii ui 21UicUii U122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。VccRc2Rb2Uic+ -UoR2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。(3)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Ad表示，即AdUoUid而放大电路对

5、共模输入电压的放大倍数称为共模放大倍数， 用Ac表示，即AcUoUic差分放大电路的共模抑制比用符号Kcmr( Common-mode rejectionratio)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Kcmr 20lg|"A|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Aui，则Ti、T2的集电极输出电压的变化量分别为1Uci Aui u id21 .uC22Au1 Uid则放大电路输出电压的

6、变化量为Uo Uci UC2Aui UidAd所以差分放大电路的差模电压放大倍数为 生Au1Uid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 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。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， T1和T2的集电极电压完 全相等，输出电压等于0，则共模电压放大倍数Ac 0，共模抑制比 K CMR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Ac 0，共模抑制比较低

7、。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Re，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。图5.4长尾式差分放大电路长尾电阻Re的作用是引入一个共模负反馈， 也就是说，Re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

8、电极电流ici、ic2同时增加，使流过发射极电阻 Re的电流iE增加，于是发射极电位 UE升高，反馈到两管的基极回路中，使 Ubei、Ube2降低，从而限制 了 ici、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ici增加多少，ic2就减少同样的数量，因而流过Re的 电流总量保持不变，则Ue 0，所以对于差模信号没有反馈作用。Re引入的共模负反馈使共模放大倍数 Ac减小，降低了每个管 子的零点漂移。但对差模放大倍数Ad没有影响，因此提高了电路 的共模抑制比。Re愈大，共模反馈愈强，则抑制零漂的效果愈好。但是，随 着Re的增大，Re上的直流压降愈来愈大。为此

9、，在电路中引入一个负电源Vee来补偿Re 上的直流压降，以免输出电压变化范围太 小。引入Vee以后，静态基极电流可由Vee提供，因此可以不接基 极电阻Rb，如图5.4所示。（2）静态分析1 2 ? Rc，%R2R，故可认为 1BQ1 1 BQ2 1 BQ ，U BEQ2 U BEQ， U CQ1 U CQ2 U CQ ， 由三极管的当输入电压等于零时，由于电路结构对称，即bel仏2Rc2rbe ， Rc11 CQ1 1 CQ2 1 CQ ， U BEQ1基极回路可得：VeeI BQ R U BEQ 21 EQ Re则静态基极电流为Vee U beqBQ R 2（1 ）rT静态集电极电流和电位为

10、ICQI BQUcq Vcc IcqRc （对地）静态基极电位为Ubq IbqR （对地）（3）动态分析由于接入长尾电阻Re后，当输入差模信号时流过Re的电流不 变，Ue相当于一个固定电位，在交流通路中可将Re视为短路，因此长尾式差分放大电路的交流通路如图5.5所示。1 1UnY 22R2KT1T2 /1g -i ,|-iRlH Rlu I 2Rc2+ Uo -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 认为Rl中点处的电位保持不变，也就是说，在Rl/2处相当于交流 接地。根据交流通路可得U

11、iiR rbei B1iC1则UC1ici RcIlRRc吟RrbeUiiiB1同理Uc2ic2 RcllRl2U| 2rbe图5.6接有调零电位器的长尾式差分放大电路故输出电压为Rc吟UoUciUc2U| 2一 UiiR rbe则差模电压放大倍数为riiRlAd去iiU12R rbe从两管输入端向里看，差模输入电阻为Rid2 R r两管集电极之间的输出电阻为R。2Rc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Uo为零，常常接入调零电位器 Rw，如图5.6 所示。3.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Re愈大，则共模负反馈 作用愈强，抑制零漂的效

12、果愈好。但是 Re愈大，为了得到同样的 工作电流所需的负电源 Vee的值愈高。希望既要抑制零漂的效果 比较好，同时又不要求过高的 Vee值。为此，可以考虑采用一个 三极管代替原来的长尾电阻 Re。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uce时，集电极电流ic基本不变。此时三极管c、e之间的等 效电阻rce £ 的值很大。用恒流三极管充当一个阻值很大的长ic尾电阻Re ,既可在不用大电阻的条件下有效的抑制零漂， 又适合 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。(1)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

13、管T3的 基极电位由电阻Rbi、&2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T3的发射极电位和发射极电流也基本保 持稳定，而两个放大管的集电极电流ici、ic2之和近似等于ic3，所 以ici和iC2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T3的具体电路画出，而采用一个简化的恒流源符号来表示，如 图5.8所示。VccE图5.7恒流源式差分放大电路图5.8恒流源式差分放大电路的简化表示法(2)静态分析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。

14、由图 5.7可知，当忽略T3的基流时，Rbi 上电压为URbi弘Vcc VeeRbi Rb2则恒流管T3的静态电流为 U Rbi U BEQ3ICQ3 I EQ3Re于是可得到两个放大管的静态电流和电压为1 CQ1I CQ21I2 I CQ3U CQ1U CQ2VccIcqR（对地）1 BQ1I BQ21 ICQ11U BQ1U BQ2I BQ1R （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 A、差模输入电阻 凤和

15、输 出电阻R。均相同。本次实验采用的差分放大电路 如图5.9所示。Ti和T2为3DG6 对管，T3为9013管。Vcc甲i Rc1 10k Rc2 10k+ 12VR5 68k 电压或电流作用；Rci和Rc2为差分对管的集电极负载电阻；Rl R5 构成差分对管的直流电阻；Rw调零电位器用来调节T1和T2的静态 工作点，使得输入信号 V 0时，双端输出电压 V 0 ； Re为两管3DG6z4-R1n_+J1 j 10kJR3I510ViL LR4510-R2_H-10kAT11RW 1009013Re 10k 、_Re3 5.1kR6 100k-12VVcc图5.9差分放大器实验电路当图中的开关

16、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 T1和T2起控制和放大共用的发射极电阻，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。Vcc+ 12VRc1 10k RC210k+ -Voh 10k R3 5103DG6弋T1Rv3DG6T2ViR451010kR2100Re 10k-12V*Vcc图5.10长尾式差分放大电路Vcc+ 12VRc1 10k Rc210k+ -'bVo-3DG63DG6R5 68

17、 kA-+I R3 51010kViR4 51010kR29013R6 100kRe3 5.1k-12VVcc图5.11恒流源式差分放大电路当图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R5、R6、Re3组成的恒流源具有很大的电阻，以代替基本 差分放大器中的Re，大大提高差分放大器抑制共模信号的能力。差分放大器的有关主要技术指标和静态工作点的分析计算 方法如下：1. 静态工作点的估算(1) 典型电路Vcc 飞I | LlC1 C22(2)恒流源电路IeI C3 I E3R6 VCC( VCC )R5f61VbE3RE3IC1 IC2 学22.差模电压增益和共模电压增益当

18、差分放大器的射极电阻Re足够大，或采用恒流源电路时， 差模电压增益Rc1 RC2 RC ,模电压增益为AVod-AVdVidAd主要由输出方式决定。当图 5.9中Ri R2 Rb， 则Rw处在中心位置时，差分放大器 双端输出的差R1RBrbe 2 (1)RW单端输出的差模电压增益为VC1dVod / 21AVd 1VidVid 2VcAVd 2IVid2dVod /2VidVid当输入共模信号时， A/C1A/C2严ViCAVd12AVd单端输出的电压增益为Rc RcRb rbe (1) 2rw 2Re2ReVBE当 Vb1 Vb2 0 时当输入共模信号时，在理想情况下，双端输出的电压增益0V

19、oC实际上，由于元件不可能完全对称。因此，Avc 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Kcmr当用对数表示时，则Kcmr (dB)20log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

20、精度咼五、实验内容1. 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。2. 通电检查电路的工作情况，若出现故障给予排除。3. 典型差分放大电路性能测试。图5.9中的电路，开关K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、B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 Vo，调节调零电位器Rw，使V。0。若100电位器现存没有， 则可用两个51加并一个k级的电位器代替，如图5.12所示Lil47(12*h4r.J1a厂1P51S51Q图5.12等效100 Q电位器(2) 静态工作点的测量零点调好以后，用数

21、字万用表的直流电压20V档测量T1、T2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Vd(V)Vb,V)V/V)Vc2(V)Vb2(V)Ve2(V)Vre(V)实测 计算值I c (mA)W(mA)Vce(V)理论 计算值I c (mA)W(mA)Vce (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Vid、Vcid、Vc2d、Vod并记录于表5.3中， 而且观察Vid、Vcid、Vc2d之间的相位关系。如果测量Vid时因浮地 有干扰，可分别测A点和B点对地之间的电压，两者之差为 Vid。（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 Vic 调为 1V ，在放大器输出波形正常的情况下测量 Vcic、Vc2C、