差动放大器

差动器的出现是为了解决直接耦合电路存在的零点漂移问题,另外,差动放大器还有灵活的输入,输出方式。

一,基本差动放大器

差动放大器在电路结构上具有对称性,三极管VT1,VT2同型号,R1=R2,R3=R4,R5=R6,R7=R8。输入信号电压Ui经R3,R4加在VT1,VT2的基极,输出信号电压Uo从VT1,VT2集电极之间取出。Uo=Uc1-Uc2

抑制零点漂移原理

无信号输入时,由于电路对称,VT1和VT2的基极电流相等,集电极电流相等,所以Uc1等于Uc2,输出电压Uo=0。当环境温度上升时,VT1,VT2的集电极电流Ic1和Ic2均增大且增大量相同,Uc1和Uc2的增大量也相同,所以Uo=0。

总:由于电路对称性,当差动放大器工作点发生变化时,两电路变化相同,所以输出电压不会变,从而有效抑制了零点漂移。

差模输入与差模放大倍数 

当给差动放大器输入信号Ui时,Ui加到R1,R2两端,由于R1=R2,所以UR1=UR2=Ui/2。R1和R2的中间电压接地为0,所以R2的下电压为负。

当Ui信号正半周期到来时,Ui电压极性为上正下负,,Ui1的上正电压经R3加到 VT1的基极,Ui2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。

输入信号Ui和输出信号Uo(Uo=Uc1-Uc2)是反相关系.这是因为当给三极管的基极加正电压时,集电极电压下降(即Uc1下降),当给三极管基极电压下降时,集电极电压升高(即Uc2升高)。所以当输入电压为正值时,输出电压为负值。

差动放大器在差模输入时的放大倍数称为差模放大倍数Ad,Ad=Uo/Ui。根据推导计算可得差模放大倍数与单管放大倍数A相等。所以差动放大器多采用一个三极管并不能提高放大倍数,而只能用来抑制零点漂移。

共模输入与共模放大倍数

如图所示为另一种输入方式的差动放大电路。输入信号Ui经R3加到VT1的基极,经R4加到VT2的基极。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。

差动放大器在输入共模信号时,输出信号为0V。

差动放大器在共模输出时的放大倍数称为共模放大倍数Ac,且Ac=Uo/Ui

由于差动放大器输入共模信号时,输出信号始终为0,所以Ac=0。实际上,差动放大电路不可能完全对称,这使得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Ac就不为0.共模放大倍数的大小可以反映差动放大器的对称程度,放大倍数越小说明对称程度越高,抑制零点漂移效果越好。 

共模抑制比

良好的差动放大器,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。为了衡量这两个能力的大小,常采用共模抑制比来表示,共模抑制比是指差模放大器的差模放大倍数Ad与共模放大倍数Ac的比值(如下)。共模抑制比越大,说明差模信号放大能力越大,共模信号放大能力越小,抑制零点漂移的效果越好。较好的差动放大器共模抑制比可达到10的7次方。

二,实用的差动放大器

1,带调零电位器的长尾式差动放大器

这种差动放大器与基本差动放大器的区别是三极管VT1和VT2的发射极不直接接地,而是通过电位器RP1和Re接负电源。

调零电位器RP1的作用: 由于差动放大器在电路中不可能完全对称,所以在无信号输入时,输出信号不会等于0。在电路中加入RP1就可以通过调节电位器的方式来机械调零。

电阻Re作用:当温度上升而导致VT1,VT2的电流Ib,Ic增大时,Uc1和Uc2会同时下降而保持输出电压Uo不变,这样虽然可以抑制零点漂移,但是VT1,VT2的工作点已经发生了变化,放大电路的性能会有所改变,而电阻Re可以解决这个问题。原理同分压式偏置放大电路。Re的反馈作用不但可以使VT1,VT2的电流Ib和Ic降回到原来水平,还可以抑制零点漂移。且Re的阻值越大,三极管工作点的稳定性和抑制零点漂移的效果越好

负电源作用:加上负反馈电阻Re后,如果将Re直接接地会导致VT1和VT2的发射极电压过高,导致基极电压也会升高,这会使VT1,VT2动态范围变化变小,容易进入饱和状态;采用负电源可以拉低VT1,VT2的发射极电压,继而拉低基极电压,让基极和集电极电压差距增大,大信号来时基极电压不容易高于集电极电压,VT1,VT2不容易进入饱和状态。

2,带恒流源的差动放大器

在带调零电位器的长尾式差动放大器中,我们说过,发射极公共电阻Re的阻值越大,三极管工作点的稳定性和抑制零点漂移的效果越好,但Re阻值越大(分压越大),需要的负电源越低,这样才可以使三极管发射极电压不会太高。为了解决这个问题,可采用下图所示的带恒流源的差动放大器。

这种差动放大器中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。正负电源经R10,R11为三极管VT3提供基极电压,因为VT3的基极电压由R10,R11分压固定,所以它的电流Ib3和Ic3不会变化,即使因为温度原因使Ib3和Ic3增大,通过反馈电阻R9的作用,仍可以使Ib3,Ic3降回到正常水平,因为该电路可以保持Ib3,Ic3恒定,所以将电流恒定的电路称为恒流源电路。因为Ic3由Ie1和Ie2组成,Ic3不会变化,所以Ie1,Ie2也不会变化,VT1,VT2的静态工作点也就得到稳定,同时也抑制了零点漂移。该电路中VT3的集电极,发射极之间的等效电阻与R9的阻值不是很大,故负电源不用很低。 

三,差动放大器的几种连接形式

1,双端输入,双端输出

双端输入,双端输出的差动放大倍数等于单管放大倍数

2,双端输入,单端输出

Uo=Uc1

双端输入,单端输出形式的差动放大器Ad是单管放大倍数A的一半

3,单端输入,双端输出

 单端输入,双端输出的差动放大倍数等于单管放大倍数A

4,单端输入,单端输出

 单端输入,单端输出的差动放大倍数等于单管放大倍数A的一半

综上,差动放大器的差动放大倍数只与输出端有关,单端输出放大倍数为单管放大倍数的一半;双端输出放大倍数等于单管放大倍数。 

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