7.2 差动放大电路
7.2 差动放大电路
7.2.1 基本差动放大电路
1．电路结构
图7-4是基本的差动放大器，它是将两个特性相同的基本放大电路组合在一起而形成的差动放大电路。
由于两个三极管V1、V2的特性完全一样，外接电阻也完全对称相等，两边各元件的温度特性也都一样，因此两边电路是完全对称的。输入信号从两管的基极输入，输出信号则从两管的集电极之间输出。
图7-4 基本差动放大器
2．抑制零点漂移的原理
在差动放大电路中，无论是温度变化，还是电源电压的波动都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，由于电路的对称性，在理想情况下，可使输出电压不变。由上述分析可知，差动放大电路是利用两边电路相同的零漂互相抵消的办法来抑制输出端零漂的。显然，两边电路的对称性将直接影响这种抵消的效果。电路对称性越好，这种抵消效果越好，对零漂的抑制能力越强。为了减小零漂，应尽量提高电路的对称程度。在集成运放等集成电路中，其输入级采用差动放大形式，由于集成工艺上可实现很高的电路对称性，因而其抑制零漂的能力都很强。
当然，在实际情况下，要做到两管电路完全对称是比较困难的，但是输出漂移电压将大为减小。由于这个缘故，所以差分式放大电路特别适用于作为多级直接耦合放大电路的输入级。
3．信号的输入
差动放大器的输入信号可以分为两种：共模信号和差模信号，如图7-5所示。
（1）共模输入。在放大器的两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号即
时，如图7-5（a）所示，这种输入方式称为共模输入，所输入的信号称为共模（输入）信号。
在共模输入时，输出电压与输入共模电压之比称为共模电压放大倍数，用AC表示。在理想情况下（电路完全对称），差动放大器在输入共模信号时不产生输出电压，也就是说，理想差动放大器的共模电压放大倍数为零，或者说，差动放大器对共模信号没有放大作用，而是有抑制作用。
（2）差模输入。在放大器的两输入端分别输入大小相等、极性相反的信号即
时，如图7-5（b）所示，这种输入方式称为差模输入，所输入的信号称为差模输入信号。
在差模输入时，输出电压与输入差模电压之比称为差模电压放大倍数，用Ad表示。差动放大器的差模电压放大倍数等于差动放大器的单管电路的电压放大倍数的2倍。
差动放大器对共模信号无放大，对差模信号有放大，这意味着差动放大器是针对两输入端的输入信号之差来进行放大的，输入有差别，输出才变动，即为“差动”。
（a）共模信号 （b）差模信号
图7-5 差动放大器的两种基本输入信号
（3）不对称输入。在更一般的情况下，两个输入信号电压既非共模，又非差模，而是任意的两个信号，这种情况称为不对称输入，不对称输入信号可以视为差模信号与共模信号的合成。
如输入信号为
和
，令
（7.2.1）
式中
、
为一对共模输入信号，
、
为一对差模输入信号。
（4）共模抑制比。对于差模信号，我们要求放大倍数尽量地大；对于共模信号，我们希望放大倍数尽量地小。为了全面衡量一个差动放大器放大差模信号、抑制共模信号的能力，这里引入一个新的量——共模抑制比，用来综合表征这一性质。共模抑制比KCMRR的定义为
这个定义表明，共模抑制比愈大，差动放大器放大差模信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信号（无用信号）的能力也越强。
4．基本差动放大电路分析
（1）共模输入。在共模输入时，输出电压与输入共模电压之比称为共模电压放大倍数，用AC表示。由图7-5（a）可以看出，当差动放大器输入共模信号时，由于电路对称，其输出端的电位
和
的变化也是大小相等、极性相同，因而输出电压UOC保持为零。可见，在理想情况下（电路完全对称），差动放大器在输入共模信号时不产生输出电压，也就是说，理想差动放大器的共模电压放大倍数为零，或者说，差动放大器对共模信号没有放大作用，而是有抑制作用。实际上，上述差动放大器对零漂的抑制作用就是它抑制共模信号的结果。因为当温度升高时，两个晶体管的电流都要增大，这相当于在两个输入端加上了大小相等、极性相同的共模信号。换句话说，产生零漂的因素可以等效为输入端的共模信号。显然，AC越小，对零漂的抑制作用越强。
（2）差模输入。在差模输入时，输出电压与输入差模电压之比称为差模电压放大倍数，用Ad表示。由图7-5（b）可以看出，当差动放大器输入差模信号（
，
）时，由于电路对称，其两管输出端电位
和
的变化也是大小相等、极性相反。若某个管集电极电位升高ΔUC，则另一个管集电极电位必然降低ΔUC。设两管的电压放大倍数均为A（两管对称，参数相同），则两管输出端电位增量分别为
（7.2.2）
差动放大器总的输出电压为
差模电压放大倍数为
（7.2.3）
上式表明，差动放大器的差模电压放大倍数等于组成该差动放大器的半边电路的电压放大倍数。由单管共射放大器的电压放大倍数计算式，有
（7.2.4）
一般
，有
（7.2.5）
应当说明，当两管的输出端（即集电极）间接有负载RL时，上式应为
（7.2.6）
式中：
。这里
，其原因是由于两管对称，集电极电位的变化等值反相，而与两集电极相连的RL的中点电位不变，这点相当于交流地电位。因而对每个单管来说，负载电阻（输出端对地间的电阻）应是RL的一半，即RL/2，而不是RL。上述放大器的输入回路经过两个管子的发射结和两个电阻Rs，故输入电阻为
rid=2(Rs+rbe) （7.2.7）
放大器的输出端经过两个RC，故输出电阻为
RO≈2RC （7.2.8）
7.2.2 典型差动放大电路
基本差动放大电路虽然可以使输出端的漂移比较小，但是每个管子的集电极对地的漂移却丝毫没有改变。因此如果以这种方式引出输出信号的话，差动式放大电路的优点就不复存在了。实际上一般都用改进的差动放大器，这里主要介绍长尾式和恒流源式。
1．长尾式差动放大电路
长尾式差动放大器在基本差动放大电路中加入带射极公共电阻Re和负电源UEE。
接入公共电阻Re的目的是引入直流负反馈。比如，当温度升高时，两管的
和
同时增大，由于有了Re，便有如图7-6所示的负反馈过程。
图7-6 长尾式差动放大器的负反馈过程
可见，这个负反馈过程与第2章讨论过的静态工作点稳定电路的工作原理是一样的，都是利用电流负反馈改变三极管的UBE从而抑制IB的变化。显然，Re越大，则负反馈作用越强，抑制温漂的效果越好。然而，若Re过大，会使其直流压降也过大，由此可能会使静态电流值下降。为了弥补这一不足，图7-6中在Re下端引入了负电源UEE，用来补偿Re上的直流压降，从而保证了放大器的正常工作。下面对如图7-6所示的电路作动态分析。首先将输入信号分解为共模信号Uic和差模信号Uid两部分，再分别说明Re对这两种信号放大倍数有何影响。差动放大电路中，Re对输入信号的影响可分为两种情况讨论。
（1）Re对共模输入的影响。共模输入使两管产生同向变化，Re中流过两种同值流向相同的变化电流，因而Re上的信号电压降为两倍的变化电流所产生的压降，即Re对每一管的共模输入有着较强的反馈作用（与单管时相比，Re上的压降增大一倍），可使共模放大倍数降低。这样差动放大电路在单端输出时，和单管放大电路相比较，前者抑制零漂的能力强于后者。因此将差动放大电路中发射极的公共电阻Re称为共模反馈电阻。显然，Re值愈大，抑制零漂及各种共模干扰的作用愈强。
（2）Re对差模输入信号的影响。差模输入信号使两管产生异向变化，只要两管电路的对称性足够好，两管中的电流一增一减，其变化量相等，因而Re上的电流就近于不变，Re上的信号压降为零，即共模反馈电阻Re对差模信号可视为短路，对差模信号无影响，也就不会影响差模放大倍数。
由此可见，具有射极电阻Re的长尾式差动放大器，既利用电路的对称性使两管的零漂在输出端互相抵消，又利用Re对共模信号的负反馈作用来抑制每个管自身的零漂。由于这种放大器对零漂具有双重抑制作用，所以它的零漂比未接入Re的基本形式差动放大器要小得多。而且，由于每侧的漂移都减小了，信号可以从单端输出。
下面以一个例子来说明对长尾式差动放大电路的分析。
【例7-1】 在如图7-6所示的电路中，Rs=5kW，Rc=10kW，Re=10kW，UCC=UEE=12V，两管电流放大倍数均为b=50。试计算：（1）静态工作点。（2）差模电压放大倍数。（3）输入、输出电阻。
解：（1）计算静态工作点
静态时，无信号输入，
。设单管的发射极电流为IEQ，则Re上流过电流为2IEQ。对单管的基极回路可列出如下关系
又由 
所以 
代入数据得
（2）计算差模电压放大倍数
图7-7为图7-6所示电路的差模输入交流通路。由于差模信号在Re上没有压降，故将其视为交流短路。所以，其差模电压放大倍数的计算与未引入Re时基本差动放大器差模电压放大倍数的计算相同。
图7-7 长尾式差动放大器差模输入交流通路
在未接电阻RL时
所以：
。若接有负载电阻RL（如图7-7中虚线所示），则有
式中：
。
（3）计算输入输出电阻
差模输入电阻及输出电阻的计算也与基本差放电路相同，差模输入电阻为
输出电阻为
应当说明，这里计算的差模电压放大倍数及输出电阻都是对双端输出来说的。双端输出即从两个管的集电极之间输出信号。后面还会看到单端输出的情况，即从一个管子的集电极与地之间输出信号，单端输出时的差模电压放大倍数及输出电阻不能用上两式计算。
2．恒流源差动放大电路
从上述分析中可以看到，欲提高电路的共模抑制比，射极公共电阻Re越大越好。不过，Re大了之后，维持相同工作电流所需的电源电压UEE的值也必须相应增大。显然，使用过高的电源电压是不合适的。此外，Re值过大时直流能耗也大。为此，要选用一种动态电阻大、静态电阻小的非线性元件来代替Re。晶体三极管恒流源电路就具有这种特性。由三极管的输出特性曲线可知，在放大区工作时，三极管的动态电阻rce比静态电阻RCE大得多。若将三极管接成第5章所学过的工作点稳定电路，则由于存在电流负反馈，其输出电流Ic基本恒定，故这种电路称为恒流源电路。从集电极与地之间看进去，恒流源电路的输出电阻比三极管本身的动态电阻rce要大得多。正因为恒流源电路输出电阻很大，因此用它代替图7-6中的Re是相当理想的。
在如图7-8所示的电路中，V3是一个恒流源，它能维持自身集电极电流
恒定。而
，所以
与
也就保持恒定，它们不能同时增加或同时减少，也就是不随共模信号的增减而变化，这就大大抑制了共模信号。这种抑制作用相当于用恒流源的很大的输出电阻（严格来讲，恒流源的输出电阻为∞）对共模信号引入了很强的负反馈。而对于差模信号，则不受
恒定的影响，因为当差模信号使一侧管的集电极电流
增大时，另一侧管的集电极电流
必将减少同样的值，两者互相抵消，恰与
恒定相符。也就是说，恒流源的恒流性质对于差模信号是起不到负反馈作用的。
图7-8 恒流源式差动放大器
7.2.3 差动放大器的几种接法
由于差动放大电路有两个输入端，两个输出端根据使用场合，可以有4种可能的接线方式：双端输入——双端输出、双端输入——单端输出、单端输入——双端输出、单端输入——单端输出。
图7-9给出了差动放大器的4种连接方式，下面对其进行简单的分析。
1．双端输入——双端输出
前面所讨论的差动放大器，信号都是从两个管的基极输入，从两个管的集电极输出，这种方式称为双端输入、双端输出。
2．双端输入——单端输出
这种接法如图7-9（b）所示。由图可见，输出信号Uo只从一个管子（V1）的集电极与地之间引出，因而Uo只有双端输出时的一半，电压放大倍数Ad也只有双端输出时的一半，即
（7.2.9）
输入电阻不随输出方式而变，而输出电阻变为
（7.2.10）
3．单端输入——双端输出
这种接法如图7-9（c）所示。信号只从一只管子（这里是V1）的基极与地之间输入，而另一只管子的基极接地。表面看来，似乎两管不是工作在差动状态。但是，若将发射极公共电阻Re换成恒流源，那么，
的任何增加都将等于
的减少，也就是说，输出端电压的变化情况将和差动输入（即双端输入）时一样。单端输入、双端输出的接法可把单端输入信号转换成双端输出信号，作为下一级的差动输入，以便更好地利用差动放大的特点。
4．单端输入——单端输出
这种接法如图7-9（d）所示，它既具有（b）图单端输出的特点，又具有（c）图单端输入的特点。它的Ad、ro的计算与双端输入、单端输出的情况相同。这种接法与第5章所讲的单管基本放大电路不同，其主要优点是抑制零漂的能力比单管基本放大电路强，而且通过改变输入或输出端的位置，可以得到同相或反相输出。输入、输出在同一侧（如图7-9（d）中那样均在V1一侧）的为反相放大输出，若由V1基极输入而由V2集电极输出，则变为同相输出。
（a）双端输入、双端输出 （b）双端输入、单端输出
（c）单端输入、双端输出 （d）单端输入、单端输出
图7-9 差动放大器4种连接方式
综上所述，差动放大电路电压放大倍数仅与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模电压放大倍数与单管基本放大电路相同；如为单端输出，它的差模电压放大倍数是单管基本电压放大倍数的一半，输入电阻都是相同的。