第四章、第八节差动放大器

第四章、晶体管声频放大器

第八节差动放大器

直接耦合放大器的零点漂移

多级放大器的级间耦合方式，除阻容耦会方式外，还常用直接耦合放大器。直接耦合放大器是级间不用耦合元件的级联放大器，前级输出端直接与后级输入端相连。显然，这种放大器中信号经过前级放大可以通行无阻加到后级；由于输人信号频率不受耦合元件影响，它就可以放大频率很低、变化缓慢的信号，甚至直流信号。这种放大器还具有电路简单、增益高等优点。图4－59是一种简单的直接耦合放大器电路图，图中BG1集电极和B62基极是直接相连的。

图4一69所示直接耦合放大器的主要缺点是存在零点漂移问题。由于直接耦合放大器实现了从输入端到输出端直流信号的传递，前级工作点的微小变化会直达后级继续放大，以致放大到十分可观的程度，甚至破坏放大器的正常工作。所谓零点漂移，指的就是当无信号输入时，由于工作点不稳定被逐级放大，在输出端出现静态电位缓慢偏移飘动的现象。克服零点漂移，可以采用负反馈、稳压等措施补偿，而有效的方法，是采用差动式放大器。

差动式放大器突出的抑制零点漂移的本领，使它在直接耦合放大器和集成电路中被广泛采用。在无变压器声频功率放大器里几乎毫无例外地把差动放大器做为前置级。

图4一60是一种高保真扩音机差动式前置放大器的典型电路。电路由BG1、BG2及基极电阻R1、R4，BG1的集电极电阻R2两管共用的发射极电阻R3组成。输入信号从BG1的基极输入，输出信号从BG1集电极取出，所以叫“单端输入---单端输出”方式。因为放大器由两只管子组成，可以有两个输入端、两个输出端，所以差动放大器还有“双端输入棗双端输出”、“双端输入棗单端输出”和单端输入棗双端输出”等形式。由于声频放大器的输入端和输出端需要有共用接“地”端，在声频放大器中用得最多图是单端输入棗单端输出”的形式。

二、差动放大器的基本工作原理

差动放大器又叫差分放大器或差值放大器。图4-61是双端输入棗双端输出差动放大器的基本组成形式。

从图中可以看到，差动电路由两个对称的单管放大器组成。差动管是一特待性完全相同的晶休管，集电极电阻和基极电阻一一对称相等。电路具有两个输入端，两个输出端。信号分别从两管基极一射极间输入。输出信号要从两管的集电极之间取出，即Usc＝Uc1一Uc2（这个式子对直流和交流都适用）。为了容易理解，可以用两组电池比拟差动管的集一射间电压，如图4-61（b）所示。若两组电池电压相等，A、B端电压等于零；若两组电池电压不等，则A、B端电压等于等于两组电他电压的差值。不难证明，差动放大器的输出电压与两端输入信号电压之差成正比。也就是说，输出信号是随着两端输入信号之差变动的，所以叫差动放大器。

那么差动放大器是怎样抑零点漂移的呢？下面仍以图4－61的电路来说明。当温度变化或电源电压波动等因素引起差动管的工作点发生变化时，由于电路对称，两管的静态集电极电流和静态集电极电压变化量也相等，即：ΔIc1=Δic2，ΔUc1=Δuc2。而差动放大器输出电压Usc=Uc1-Uc2，所以在静态时输出电压等于零。这就是说，不管工作点怎样变化，只要保持电路两进对称，在没有信号输入时输出始终保持为零，克服了零点漂移现象。

三、共模输入和差模输入

前面介绍了差动放大器在无信号输入时输出电压等于零。有信号输人时，可分两种情况讨论。

l．共模输入，

指两边输入信号大小相等，极性也相同。请参看图4-62。其中用不加圈的＋、一表示共模输入时信号的极性。显然，由于usr1=usr2，两管集电极电位也将大小相等、极性相同，即usc1=usc1-usc2=0。这就说明，差动放大器在两边完全对称的情况下对共模信号没有放大能力。这是差动放大器的突出优点。因为影响电路工作的各种内部和外部因素，如温度变化、电源波动、外界干扰、内部噪声等，都同时作用于差动放大器的两边，相当于共模输入，都要受到抑制。这就为保证电路的良好性能创造了条件。

2.差模输入

指两边输入信号大小相等、极性相反。图4－62中用＋、－表示差模输入时信号的极性。显然，由于usr1=－usr2,而两边输入信号通常是由一个总的输入信号出，，经电阻分压后取得的可以得出Usr=－Usr=1/2Usr。此时，两管集电极电位将分别为Usc1=Kusr，Usc=Kusr2=－1/2Kusr。总输出电压

Usc=Usc1－Usc2=1/2Kusr－（－1/2Kusr）=KUsr

其中K为两边单管放大器的增益。进一步不难算出差模输入时差动放大器的增益为：

Usc/Usr=K

这就说明，差动放大器对差模信号放大的增益和单管放大器的增益相同。

四、采取稳定措施的差动放大器

在以上的分析中，我们假定电路两边完全对称。实际上元器件微小差异造成的不平衡是难以避免的，静态时输出端仍然会出现很小的漂移电压。图4－63示出的差动放大器典型电路采取了稳定措施，可以基本上保持静态输出为零，与图4-62相比，它有两处改进：一是增加了电位器W和发射极电阻Re，一是增加了发射极供电电源Ee。

Re和W接在发射极电路中，对共模信号构成电流负反馈，因而对共模信号的抑制能力加强了。W的作用是调整两管的负反馈深度，保证静态时输出为零。电位器中点的移动，等于改变了两管的发射极电阻，维持Ic1=Ic2。Ee的设置使发射极处于负电位（NPN管），同时使Re可以用得足够大。显然，漂移压降也增大，漂移量牵制了输出漂移电压的增长。也使工作点更趋稳定。“提高Ee，可以使Re用得大一些。一般声频放大器的Ee与Ec相同。

为了不增加Ee而取得增大Re的效果，可以用晶体管恒流源电路代替Re，见图4－64。图中，R1、R2、R3和BG3组成恒洗源电路。R1、R2分压固定BG3基极电位，R3形成负

反馈，稳定了BG3的集电极电流Ic3。Ic3实际就是BG1和BG2的发射极电流之和。Ic3不变，Ic1和Ic2就基本不变了。BG3代替Re，相当于接人一个几十千欧以上的电阻。因为晶体管输出特性曲线很平直，当集一射极电压大于1～2伏时，集电极电流几乎不变化，犹如集一射间具有根大的动态电阻。

必须强调指出的是，并动管发射极电阻Re的接入只对共模信号产生负反馈，而对差模信号没有影响。差模信号输入时差动管的电流一个增大、－个减小，增加量等于减小量，流过Re电流及其压降都不变。因此差模信号输入时没有负反馈作用。放大器的增益没有减小。

我们希望差动放大器对共模信号抑制能力越强越好，而对差模信号放大能力越大越好。通常用“共模抑制比”（CMRR）来表示差动放大器的这种性能。共模抑制比是差动放大器对差模信号的增益与对共模信号的增益之比：

共模抑制比（CMRR）=差模增益/共模增益

共模抑制比越大，差动放大器性能越好。

五、“单端输入棗单端输出”的差动放大器。

前面介绍了差动放大器的工作原理。现在再来进一步分析“单端输入一单端输出”的差动放大器。

我们把图4-60的实际电路简化成图4－65的原理图。实际电路中的C1，对交流可视为短路，BG2的基极直接接“地”。

图4－65的电路与“双端输入棗双端输出”电路比较，差别是BG2没有接集电极电阻，信号从BG1的基极和“地”之间输入，输出信号从BG1的集电极和“地”之间取出。这种电路不再对称，零点漂移主要靠Re的负反馈作用来抑制。读者可自行分析其抑制过程。

现在着重分析BG1输入一个交流信号Usr，时的情况。当Usr，为正信号时，BG1的Ib1增加，Ic1、Ie1随之增加。增大的Ie1流过Re，Ue也增大。由于Re也是BG2的发射极电阻，Ue的升高又使Ubc2减小（Ube2＝Ee一Ue）。于是Ic2减小，形成Ic1增大、Ic2减小的情况。由于输入信号引起Ue。增大，Ue比无信号输人时略高一些，Ic2的减小量也肯定要比Ic1的增加量小一些。但由于Re用得很大，Ue增加一些所需要的人变化也很小（Ue = IeRe），最终使Ic2。的减小量接近Ic1的增加量。这种结果犹如有大小相同，极性相反的信号输入给两管的基极，获得双端输入的效果。不过，电路是单端输入，输出电压取自一只管子，其增益只有双端输出的一半。

电路中Re的取值对保证工作性能来说是个关键。一般发射极电源Ee都选得比较高，Re的取值是可以满足要求的。在一些对抑制零点漂移要求很高的电路中，多用垣流源电路来代替Re。

图4一66是用恒流源代替Re 的实用差动放大器电路。D1、D2及R5、R6组成恒流源电路。Dl、D2用来稳定BG3的工作点。

另外，在电路中只有一组电源的情况下，通常省去发射极电源。而发射极直接由集电极电源负端供电。这时，Re不能取得很大。否则差动管的有效工作电压会降低。图4一67是一种单电源供电的“单端输入－单端输出”差动放大器电路图。

单电源供电时，R4选得较小，所以电路对共模信号的抑制能力不如双电源供电好。当然，由于R4的较强负反馈作用，这种电路的稳定性仍然比单管放大器好。