差分放大电路

模拟电子电路

差分放大电路又称为差动放大电路，当该电路的两个输入端的电压有差别时，输出电压才有变动，因此称为差动。差分放大电路是由静态工作点稳定的放大电路演变而来的。

简介

差分放大电路具有电路对称性的特点，此特点可以起到稳定工作点的作用，被广泛用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，易于混淆，是模拟电子技术基础课程的难点与重点。

差分放大电路有差模和共模两种基本输入信号，由于其电路的对称性，当两输入端所接信号大小相等、极性相反时，称为差模输入信号；当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号。通常我们将要放大的信号作为差模信号进行输入，而将由温度等环境因素对电路产生的影响作为共模信号进行输入，因此我们最终的目的，是要放大差模信号，抑制共模信号。

模拟电子技术中常使用的模拟量在经过传感器之后转换的电信号都比较微弱，为了能更好的测量这些微弱信号，一般都会对其进行放大处理。但是对于模拟量转换的电量为变化缓慢的非周期性信号时，例如温度、流量、液面等模拟量，对于这种信号一般采取通过直接耦合放大电路放大后再驱动负载，但是直接耦合放大电路会有零点漂移现象（输入电压为零而输出电压的变化不为零），为了抑制零点漂移一般采用特性相同的晶体管（版图尺寸相同），这样的电路称为差分放大电路。

差分放大电路是直接耦合放大电路的基本组成单元，该电路对于不同的输入信号有不同的作用，对于共模信号起到很强的抑制作用，而对差模信号起到放大作用，并且电路的放大能力与输出方式有关。

作用

当今世界之所以能称之为智能化的时代，是由于各种智能化的设备得到了普及，而这些智能化设备之所以能够智能化，离不开功能各异的各种传感器，而这些传感器所采集到的电信号一般都很微弱，同时这些微弱的电信号往往都是低频信号，所以对这些信号进行放大处理时，需要采用直接耦合放大电路进行放大，所谓直接耦合放大器就是各级放大器的级联是靠导线直接连接，因此直接耦合连接方式有很好的低频特性同时又很容易做成集成电路。

直接耦合放大电路虽然有以上几大优势，但普通的直接耦合放大电路存在零点漂移现象，所谓“零点漂移”，就是当输入信号为零时而输出信号不为零。差分放大电路是一种直接耦合放大电路，差分电路本身具有良好的电气对称性，使其对共模信号有良好的抑制作用，所以能有效地抑制零点漂移现象的发生。

分类

差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。

共射放大电路

如图1所示是基本的共射放大电路。

其静态工作点基本稳定。但是温度变化会使得集电极电流发生微小的变化，采用直接耦合的方式会进一步放大该变化，引起静态工作点的变化。

对称式电路

在输出位置构建有一个完全一样的镜面电路，如图2所示。差分放大电路对共模信号起到了很强的抑制作用，理想情况下共模输出为零。

四种接法

按输入输出方式分：有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出四种类型。具体电路见图3。单端输出的差分放大电路在T1管的集电极连接了一个负载电阻RL然后直接接地，同时取消了T2管的接线端，具体电路如图3（b）所示。单端输入的差分放大电路仅仅只有一个输入，另外一个输入口直接接地，具体电路如图3（b）所示。

此时电路不再对称，静态工作点和其他动态参数也发生了改变，同时由于差分放大电路的放大能力只和输出形式有关，因此可将电路分成单端输出和双端输出两大类进行分析。

原理

零点漂移现象的产生，其原因有很多，但最为主要的原因还是晶体管受到外部温度变化所引起的静态工作点的波动，所以零点漂移也常被称为温度漂移，简称温漂。那差分放大电路是如何做到抑制温漂的呢？

图4所示电路为长尾差分放大电路，当两端的输入信号电压为零，即 uI1=uI2=0 时，也就是电路处于直流工作状态。理想情况下，因为 T1与 T2管的电气特性完全相同，其外接电阻参数也相同，那么就有集电极对地电位Ucq1=Ucq2的结果，所以静态时的输出电压Uo=0。

如果外界温度升高了，理想情况下，Icq1和Icq2也会同时增大，而且其增大幅度完全相同，从而导致两个集电极电阻上的压降出现等值幅度的增大，进而使 Ucq1和 Ucq2同时等值幅度变化，所以输出Uo=Ucq1–Ucq2=0保持不变。如果外界温度降低了，将会引起上述变化的一个反过程，最后得到的结果还是输入电压保持不变。经过上述分析，我们发现差分电路巧妙地利用电路的对称性消除了放大电路在输出端的零点漂移。此外，增大发射极电阻也可以稳定工作点。实际上，集成电路中的差分对管，不会完全一致，总存在不对称的情况，因此运算放大器总存在温漂。所以，当运放做为微弱信号的前级时，温漂称为非常重要的技术指标。

性能衡量指标

差模放大特性

（1）差模电压放大倍数

差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。分为双端输出和单端输出。

（2）差模输入电阻

差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流的比。

共模抑制特性

共模电压放大倍数

在差动电路中，因温度变化，电源波动引起的两个差动管的等效输入漂移电压，相当于一对共模信号，由于接地电阻的负反馈作用，使得每管的输出端漂移电压大为减少，如果双端输出，则被完全抵消。

共模抑制比

Ad是差模信号放大倍数、Ac共模信号放大倍数。越大电路的性能也就愈好。因此增大Re是改善共模抑制比的基本措施。

失调