实验3.7 差动放大器

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实验3.7 差动放大器

一、实验目的

（1）理解差动放大器的工作原理，电路特点和抑制零漂的方法。 （2）掌握差动放大器的零点调整及静态工作点的测试方法。

（3）掌握差动放大器的差模放大倍数、共模放大倍数和共模抑制比的测量方法。

二、实验设备及材料

函数信号发生器、双踪示波器、交流毫伏表、万用表、直流稳压电源、实验电路板。

三、实验原理

差动放大器实验电路如图3.7.1所示，其中晶体管T 1、T 2称为差分对管，与电阻R

C1、R C2及电位器R W 共同组成差动放大的基本电路。其中R C1=R C2，R W 为调零电位器，若电路完全对称，静态时R W 应处为中点位置，若电路不对称，调节R W ，使U o 两端静态时的电位相等（U o = 0）。

晶体管T 3、D 1与电阻R e3和R 2组成恒流源电路，可以为差动放大器提供恒定电流I 0。两个R 1为均衡电阻，给差动放大器提供对称的差模输入信号。由于电路参数完全对称，当外界温度变化，或电源电压波动时，对电路的影响都是一样的，因此差动放大器能有效的抑制零点漂移。

1、差动放大器的输入输出方式，如图3.7.1所示电路。 根据输入信号和输出信号的不同方式有四种连接方式。

（1）双端输入—双端输出：输入信号U i 加在U i1、U i2两端：U i =U i1-U i2；输出U o 取自U o1、U o2两端：U o =U o1-U o2。

（2）双端输入—单端输出：输入信号U i 加在U i1、U i2两端：U i =U i1-U i2；输出U o

图3.7.1 差动放大器实验电路

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取自U o1或U o2到地的信号：U o =U o1或U o =U o2。

（3）单端输入—双端输出：输入信号加在U i1上，U i2接地（或U i1接地而信号加在U i2上）；输出U o 取自U o1、U o2两端：U o =U o1-U o2。

（4）单端输入—单端输出：输入信号加在U i1上，U i2接地（或U i1接地而信号加在U i2上）；输出U o 取自U o1或U o2到地的信号：U o =U o1或U o =U o2。

连接方式不同，电路的性能参数有所不同。 2、静态工作点的计算

具有恒流源的差动放大器静态时（U i = 0），由恒流源电路得 e3

BE

D 0R U U I -=

（3-7-1）

其中U D 为稳压管D 1的稳压值，U BE 为发射结压降。

差动放大器中的T 1、T 2参数对称，则

I C1 = I C2 = I 0 /2 （3-7-2）

2

C1

0CC C1C1CC C2C1R I U R I U U U -

-=== （3-7-3） 由（3-7-3）式可知，具有恒流源的差动放大器的工作点，主要由恒流源I 0决定。

3、差动放大器的主要指标计算 （1）差模放大倍数A ud

由分析可知，差动放大器在单端输入或双端输入方式不同时，它们的差模电压增益相同。但是对双端输出和单端输出方式的不同，差模电压增益不同。在此仅分析双端输入情形，单端输入情形可自行分析。

差动放大器的两个输入端分别输入两个大小相等，极性相反的差模信号U id1、U id2

（U id1=-U id2），差动放大器的差模输入信号U id = U id1-U id2。

双端输入—双端输出时，差动放大器的差模电压增益为

（3-7-4）

式中 L L C ||2

R R R '=。A u1为单管电压增益。 双端输入—单端输出时，差模电压增益为：

od1od1L

ud1u1W id id1b be 1222((1))2

U U R A A U U R r ββ'≈

===

+++ （3-7-5） 式中L C L ||R R R '=。

（2）共模放大倍数A uC

差动放大器的两个输入端同时加上两个大小相等，极性相同的共模信号，即

od od1od2L

ud u1W

id id1id2

b be (1)2

U U U R A A R U U U R r ββ'-=

===

-+++

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U ic =U i1=U i2。

单端输出时的共模电压增益

oC1oC2L L

uC1uC2

W iC iC

e b be e

2(1)(1)2

U U R R A A R U U R R r R βββ''====≈''+++++ （3-7-6） 式中e

R '为恒流源的交流等效电阻。即 3E3

e ce3be3E3B

(1)R R r r R R β'=+++ （3-7-7）

)

mA ()

mV (26)

+1(+Ω300=3E 3

be I βr （3-7-8） 12B ||=D r R R （3-7-9） 其中r D1为稳压管D 1的动态电阻。由于r be3（T3的集电极输出电阻）一般为几百千欧，所以e L R R ''>>，故共模电压增益A uC < 1，在单端输出时，共模信号得到了抑制。

双端输出时，在电路完全对称情况下，则输出电压U oC1=U oC2，共模增益为 0==

iC

oC2

oC1uC U U U A - （3-7-10）

式（3-7-10）说明，双端输出时，对零点漂移，电源波动等干扰信号有很强的抑制能力。

如果电路的对称性很好，恒流源恒定不变，则U o1与U o2的值近似为零，示波器观测U o1与U o2的波形近似于一条水平直线。共模放大倍数近似为零，则共模抑制比K CMR 为无穷大。如果电路的对称性不好，或恒流源不恒定，则U o1、U o2为一对大小相等极性相反的正弦波（示波器幅度调节到最低档），用长尾式差动放大电路可观察到U o1、U o2分别为正弦波，实际上对管参数不一致，受信号频率与对管内部容性的影响，大小和相位可能有出入，但不影响正弦波的出现。

（3）共模抑制比K CMR

差动放大电器性能的优劣常用共模抑制比K CMR 来衡量，即：

（3-7-11）

单端输出时，共模抑制比为：

ud1L CMR

W

uC b be

++(1+)2

A R K A R r ββ'== （3-7-12） 双端输出时，共模抑制比为：

ud

CMR uC

A K A =

=∞ （3-7-13） dB

lg 20 uC ud CMR uC ud CMR A A

K A A K ==或

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四、实验内容

如图3.7.1所示连接实验电路，将F 点与C 点相连接。注意正、负电源的接法。 1、调整静态工作点（操作性实验）

接上正、负电源，不加输入信号，将输入端U i1、U i2两点接地，再用万用表直流档分别测量差分对管T 1、T 2的集电极对地的电压U C1、U C2。如果测量结果U C1≠U C2，调整电位器R W 使U C1=U C2，或者使它们非常接近。若调节R W 始终都无法满足U C1=U C2 且相差比较大时，可适当调整电路的参数如R C1或R C2，使R C1与R C2不相等以满足电路对称（比如在R C1上并接一个电阻，这样减小R C1使电路对称）。再调节R W 满足U C1=U C2。然后分别测量U C1、U C2、U B1、U B2、U E1、U E2的电压，根据测量数据计算I C1和I C2，记入表3-7-1中左边实际测量值栏内，与右边的理论计算值进行比较。

表3-7-1 静态工作点测量数据记录 I 0 = mA （电压单位 /V ；电流单位 /mA ）

2、单端输入电路的测量（验证性实验）

将U i2端接地，从U i1端输入f =1 kHz 、U id =50 mV p-p 正弦波信号。 （1）单端输出

双踪示波器两个探头，分别测量单端差模输出电压U od1（U o1）、U od2（U o2）的波形，观察它们的相位关系。记录U od1和U od2的波形与幅度（峰峰值），以U id 的相位为参考，表示出它们之间的相位关系。计算单端输出的差模放大倍数A ud （单），记入表3-7-2。

表3-7-2 差动放大器测量数据记录（单端输入情形）

（

2）双端输出

测量双端输出差模电压U od （=U

od1-U od2）的波形，方法是

在前面测量U od1和U od2的基础上，调节“VOLTS/DIV ”垂直灵敏度及其微调档使CH 1、CH 2两通道完全相同，在“MODE ”垂直显示方式中选择“ADD ”叠加方式，按下“CH 2

u id

t

u od1

t

u od2 t

u od

t

INV”CH2反相按键，即可得到差分波形U o d。记录U od的波形与幅度（峰峰值），计算差模双端输出的放大倍数A ud（双），记入表3-7-2。

（3）用固定电阻R e=10 kΩ代替恒流源电路，即将F点与D点相连接，组成典型的长尾式差动放大电路，静态（U i = 0）时调节R W，使U o = 0。再重复上述实验步骤（1）、（2），记入表3-7-2，并与恒流源电路相比较后说明。

3、双端输入情形测量（验证性实验）

（1）共模信号输入

将输入端U i1、U i2两点连接在一起，从U i1端输入f =1 kHz、有效值为1V的正弦信号U iC为共模信号，双踪示波器观察单端共模输出U oC1（U o1）和U oC2（U o2）波形，注意观察它们的相位关系。用毫伏表分别测量T1、T2两管集电极对地的共模输出电压U oC1和U oC2（注意表示出它们之间的相位关系），则双端输出的共模电压为U oC = U oC1-U oC2。自拟表格记录测量数据并计算出单端输出的共模放大倍数A uC（单）（A uC1或A uC2）、双端输出的共模放大倍数A uC（双）。

（2）差模信号输入

U i1、U i2端分别与A、B点连接，将两路差模信号U i1、U i2（预习准备好）分别输入U i1、U i2端。与共模输入情形时类似，测量差模输入时单端输出和双端输出的放大倍数A ud（单）、A ud（双）和共模抑制比K CMR（单）、K CMR（双）。自拟表格记录测量与计算数据。

4、差动放大器的差模传输特性测试（验证性实验）

差动放大器的F点与C点相连接。把信号发生器输出f =100 Hz、U id =50 mV p-p的正弦波信号输入到差动放大器的U i1端，U i2端接地；同时将此输入信号送至示波器的“TRIG IN”外触发信号输入端。示波器的“SOURCE”触发源选择置“EXT”外触发位置；“TIME/DIV”水平扫描速度开关置“X-Y”位置。差动放大器的两输出端U o1和U o2分别接至示波器的CH1、CH2输入端。示波器的“MODE”垂直方式开关置“DUAL”两通道同时显示位置，并且CH1、CH2的垂直灵敏度应相同。逐渐增大信号发生器输出的信号幅度，即可在示波器显示屏上显示出差动放大器的差模传输特性曲线，调整R W，使曲线对称。

五、预习要求

1、复习差动放大器的组成、静态工作点和主要性能指标的定义及其计算方法。

2、熟悉差动放大器静态工作点的调试方法，熟悉放大器主要性能指标的测量方法。

3、准备实验内容3中需要的双端输入的差模信号。

六、实验报告与思考题

1、详细记录各项数据，计算出差模放大倍数、共模放大倍数以及共模抑制比，并分析总结实验结果。

2、差动放大器中的发射极R e起什么作用？用恒流源代替R e有什么好处？

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