差动放大器1.doc

2 差动放大电路实验

差动放大电路利用对称结构使电路性能得到改善。在差分电路中，温度的变化，电源电压的波动都会引起两管集电极电流、集电极电压的变化，其效果相当与在两个输入端加入了共模信号，由于电路对称，在理想的情况下，输出电压不变，从而抑制了零点漂移。
2.1 实验目的
1. 熟悉差动放大器的工作原理(熟练掌握差动放大器的静态、动态分析方法)
2. 加深对差动放大器性能及特点的理解
3. 学习差动放大电路静态工作点的测量
4. 学习差动放大器主要性能指标的测试方法
5. 熟悉恒流源的恒流特性
6. 通过对典型差动放大器的分析，锻炼根据实际要求独立设计基本电路的能力
7. 练习使用电路仿真软件，辅助分析设计实际应用电路
8. 培养实际工作中分析问题、解决问题的能力
2.2 实验仪器及备用元器件
（1）实验仪器
序号
名称
型号
备注
1.
数字示波器
Agilent
DSO-X 2002A
具有函数信号发生器
2.
数字万用表

可以测试b
3.
模拟实验板

±12V 直流电源
（2）实验备用器件
序号
名称
说明
备注
1.
三极管
差分对管/组合管
需要选对管（b相近）
2.
电阻
若干

3.
电容
若干

4.
连接线

2.3 实验概述
差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路，由典型的工作点稳定电路演变而来。为进一步减小零点漂移问题而使用了对称晶体管电路，以牺牲一个晶体管放大倍数为代价获取了低零漂的效果。它还具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号，由于不存在电容，可以不失真的放大各类非正弦信号如方波、三角波等等。差动放大电路有四种接法：双端输入单端输出、双端输入双端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。
由于差动电路分析一般基于理想化（不考虑元件参数不对称），因而很难作出完全分析。为了进一步抑制零漂，提高共模抑制比，可以用恒流源电路来代替一般电路中的Re,它的等效电阻极大，从而在低电压下实现了很高的零漂抑制和共模抑制比。
2.4 电路原理
2.4.1. 基本差动放大器
图2-1是差动放大器的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。
1.直流分析数据
分析内容

空载

双出

单出

2.直流分析仿真数据
分析内容

空载

双出

单出

3.交流分析数据
分析内容

空载

双出

单出

4.交流分析仿真数据
分析内容

空载

双出

单出

2.4.2. 具有平衡电位器的差动放大器
图2-2是差动放大器的结构。它由两个元件参数相近的基本共射放大电路组成。
1.直流分析数据
分析内容

空载

双出

单出

2.直流分析仿真数据
分析内容

空载

双出

单出

3.交流分析数据
分析内容

空载

双出

单出

4.交流分析仿真数据
分析内容

空载

双出

单出

2.4.3. 具有恒流源的差动放大器
图2-3是差动放大器的结构。它由两个元件参数相近的基本共射放大电路组成。
1.直流分析数据
分析内容

空载

双出

单出

2.直流分析仿真数据
分析内容

空载

双出

单出

3.交流分析数据
分析内容

空载

双出

单出

4.交流分析仿真数据
分析内容

空载

双出

单出

图3.1 差动放大器实验电路
　　当开关K拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。晶体管 T3 与电阻共同组成镜象恒流源电路 , 为差动放大器提供恒定电流。用晶体管恒流源代替发射极电阻，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。
1、差动电路的输入输出方式
根据输入信号和输出信号的不同方式可以有四种连接方式,即 :
(l) 双端输入 -双端输出，将差模信号加在 、两端 , 输出取自、两端。
(2) 双端输入 -单端输出，将差模信号加在 、两端 , 输出取自或到地。
(3) 单端输入一双端输出，将差模信号加在上,接地 ( 或接地而信号加在 上 ), 输出取自、两端。
(4) 单端输入 -单端输出 将差模信号加在上,接地 ( 或接地而信号加在 上 ), 输出取自或到地。
连接方式不同 , 电路的性能参数不同。差动放大器当输入差模信号时，差模电压放大倍数的大小与输出方式有关，而与输入方式无关。
2、静态分析（工作点的估算）
静态时差动放大器的输入端不加信号。
（A）典型电路
（认为）

(B)恒流源电路

计算结果 UCC =12V UEE =-12V

IBQ
ICQ
UCQ
UCEQ
典型电路

恒流源偏置电路

3、动态分析（交流参数指标计算）
(1) 差模电压放大倍数
　　当差动放大器的射极电阻足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数由输出端方式决定，而与输入方式无关。
双端输入一双端输出时: ＝∞，在中心位置，差动放大器的差模电压增益为

双端输入-单端输出时，电压增益为

(2) 共模电压放大倍数
对于共模信号，设差动放大器的两个输入端同时加上大小相等 , 极性相同的两个信号即
单端输出时，共模电压增益

共模电压增益＜1,共模信号得到了抑制。
双端输出时，在电路完全对称的理想情况下，输出电压, 共模增益为

上式说明，双端输出时，差动电路对零点漂移，电源电压的波动等干扰信号有很强的抑制能力。实际上由于元件不可能完全对称，因此也不会绝对等于零。
(3) 共模抑制比CMRR
为了表征差动放大器对有用信号（差模信号）的放大作用和对共模信号的抑制能力，通常用一个综合指标来衡量，即共模抑制比
　　　 　　　或
六、实验步骤及过程
特别注意：搭建和调整电路过程中不能带电作业
1. 检查实验仪器设备
2. 检测元器件和导线，排除具有接触不良和断路的导线。
3. 检查实验电路图
4. 搭建实验电路直流通路，测量静态工作点并记录调试过程。
5. 搭建完整实验电路，接入信号源，测量交流参数。
6. 按照对放大器性能指标的要求对电路元器件作相应的调整
七、实验内容（根据课时，部分选做。AB必做，CD选做。）
根据差动放大器的工作原理，合理选择元器件，用NPN型三极管设计出以下几种指定的差动放大电路，以求满足相应的性能指标要求：
A. 具有发射极调零电阻的基本差动放大电路
n 输入信号：正弦波交流信号，有效值： 100mV；频率：1kHz。
n 供电电压：+12V，-12V
n 输出端带有10kΩ的负载
n 单端输出差模增益：不小于30
n 单端输出共模增益：不大于1/2
n 输入与输出反相
n 保证信号不失真放大。
实验结果
1.UCC =12V UEE =-12V RL =∞

2.UCC =12V UEE =-12V RL =5k

B. 发射极接有恒流源的差动放大电路
n 输入信号：正弦波交流信号，有效值： 100mV；频率：1kHz。
n 供电电压：+12V，-12V
n 输出端带有10kΩ的负载
n 单端输出差模增益：不小于30
n 单端输出共模增益：接近于零
n 输入与输出同相
n 保证信号不失真放大。
实验结果
1.UCC =12V UEE =-12V RL =∞

2.UCC =12V UEE =-12V RL =5k

C. 前级为发射极接有恒流源的差动放大电路，后级为共发射极放大电路的多级放大器，且前后级之间引入电压串联负反馈
n 输入信号：正弦波交流信号，有效值： 100mV；频率：1kHz。
n 供电电压：+12V，-12V
n 输出端带有10kΩ的负载
n 前级差动为单端输出，总电压增益：不小于200
n 输入与输出反相
n 保证信号不失真放大。
D. 前级为发射极接有恒流源的差动放大电路，后级为能够克服交越失真的互补对称射级输出的两级放大电路
n 输入信号：正弦波交流信号，有效值： 100mV；频率：1kHz。
n 供电电压：+12V，-12V
n 输出端带有10kΩ的负载
n 保证信号不失真放大。
根据理论和上述指标要求设计电路图，并写出公式，计算出电路中各个元件的参数。
八、数据整理分析
在掌握理论知识的基础上，通过对实验数据的深入客观分析，有助于锻炼学生今后的实际工作能力。现阶段分析内容侧重于元器件参数对电路直流工作状态的影响；元器件参数对 交流参数的影响。只有掌握了元器件参数和电路参数之间的内在关系，才能搭建出性能指标优良的实用电路。
九、实际问题分析与研究
（1）电路配置对交流指标的影响分析
① 改变调零电阻阻值的量级，分析调零电阻阻值的大小对差模增益的最终影响。
② 分析三极管的β值是否对差模增益有较大影响。
（2）由于考虑不周，在实验过程中遇到的电路设计错误及其分析，并详略得当的予以阐述。
（3）模型电路在实际应用环境下的问题考虑
① 观察温漂现象，首先调零，使，然后用电吹风吹、热水袋或者其他安全的加热方法加热三极管T1、T2，观察双端及单端输出电压的变化现象。
② 电路中保护电路是否齐全，在部分元件出现断路或烧毁情况下，对其余电路的保护措施是否到位。
实验总结
（1）设计中遇到的问题及解决过程；
（2）调试中遇到的问题及解决过程；
（3）根据设计技术指标及实验记录总结实验体会。