差分放大器,差分放大器是什么意思
差分放大器
[英]Differential amplifier
由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成的放大器。若两个输入端上分别输入大小相同且相位相同的信号时,输出为零,从而克服零点漂移。适于作直流放大器。
差分放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器,有时简称为“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器(简称“功放”)和发射极耦合逻辑电路 (ECL, Emitter Coupled Logic) 的输入级。
差分放大器是普通的单端输入放大器的一种推广,只要将差放的一个输入端接地,即可得到单端输入的放大器。
很多系统在差分放大器的一个输入端输入输入信号,另一个输入端输入反馈信号,从而实现负反馈。常用于电机或者伺服电机控制,以及信号放大。在离散电子学中,实现差分放大器的一个常用手段是差动放大,见于多数运算放大器集成电路中的差分电路。
下图为差分放大器电路图,未显示偏置等电路。
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。
差分放大器电路图,未显示偏置等电路。
典型的差分放大器电路如图1所示。即使在不对称的情况下,它也能较好地放大差模信号,而对共模信号的放大能力则很差,从而抑制了零点漂移。这一电路的特点,是在发射极串联了一个电阻Re。通常Re取值较大,由于分占了稳压电源较大的电压,使两管的静态工作点处于不合理的位置,因此引进辅助电源EE(一般取EE = -EC),以抵消Re上的直流压降,并为基极提供适当的偏置。
如图1所示,当输入差模信号时,T1管的ic1增加,T2管的ic2减小,增减的量相等,因此两管的电流通过Re的信号分量相等但方向相反,他们相互抵消,所以Re可视为短路,这时图1中的差分放大器就变成了没有Re的基本差分放大器电路,它对差模信号具有一定的放大能力。
对于共模信号,两管的共模电流在Re上的方向是相同的,在取值较大的Re上产生较大的反馈电压,深度的负反馈把放大倍数压得很低,因此抑制了零点漂移。
从上述可知,对差分放大器来说,其放大的信号分为两种:一种是差模信号,这是需要放大的有用的信号,这种信号在放大器的双端输入时呈现大小相等,极性相反的特性;另一种是共模信号,这是要尽量抑制其放大作用的信号。
差模电压放大倍数
对于差模信号,由于Uid1 = -Uid2,故射极电阻Re上的电流相互抵消,其压降保持不变,即UE = 0,可得到差模输入时的交流等效电路,如图2所示,由于电路对称,每个半边与单管共射极放大器完全一样。
双端输入——双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为:
可见Aud与单管共射极放大器的电压放大倍数Au相同。
考虑负载RL后,双端输入——双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为:
共模电压放大倍数
当输入共模信号时,Re上的压降为UE=2IERe,在画等效电路时把两管拆开,流过射极电路的电流为IE,为了保持电压UE不变,应把每管的发射极电阻Re增加一倍,因此共模输入时的交流通路如图3所示。当从两管的集电极输出时,如果电路完全对称,则输出电压Uoc= Uoc1-Uoc2=0,因此双端输出时的共模电压放大倍数Auc为:
从上述讨论可知,共模电压放大倍数越小,对共模信号的抑制作用就越强,放大器的性能就越好。在电路完全对称的条件下,双端输出的差分放大器对共模信号没有放大能力,完全抑制了零点漂移。实际上,电路不可能完全对称,Auc并不为零,但由于Re的负反馈作用,对共模信号的抑制能力还是很强的。在Re取值足够大的情况下,即使是单端输出,也能把Auc1压得很低。如果电路不对称,则(4)式不为零,所以双端输入——双端输出时的Auc应写成:
Auc = Auc1 -Auc2 (7)
共模抑制比
共模抑制比指差分放大器的差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,即:
上式表明,提高共模抑制比的主要途径是增加Re的阻值。但当工作电流给定后,加大Re势必要提高 |EC|。
为了在不用提高|EC|的情况下 ,能够显著地增大Re,可用晶体管构成的恒流源来代替Re,如图4中所示的T3,只要保证T3的UCEQ (1 ~ 2)V,则T3管“集—射”之间的交流阻抗可达几十k欧姆~几M欧姆。
图4电路中的元件值分别为:
Rb11 = Rb12 = 300k欧姆, Rb21 = Rb22 = 22 k欧姆, Rc1 = Rc2 = 10k欧姆, R = 510欧姆,R2 = 270 k欧姆,Re3 = 1.2 k欧姆,RL = 100 k欧姆,RW为150欧姆电位器,T3为3DG6,T1、T2为3DG6对管,2CW1S为稳压管。