实验八 差分放大电路
一、实验目的
1. 加深对差动放大器性能及特点的理解。
2. 学习差动放大器主要性能指标的测试方法。
二、实验原理
差分放大电路是模拟电路基本单元电路之一，是直接耦合放大电路的最佳电路形式，具有放大差模信号、抑制共模干扰信号和零点漂移的功能。
图8-1是差分放大电路的基本结构。
它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。
当开关K 拨向C 时（K 接R E ），构成典型的差分放大器。
调零电位器R W 用来调节T 1、T 2管的静态工作点，使得输入信号u i =0时，双端输出电压u O =0。
R E 为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无反馈作用，因此不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。
12V
EE
A B
图8-1 差分放大电路
当开关拨向D 时（K 接T 3），构成具有恒流源的差分放大器。
它用晶体管恒流源T 3代替发射极电阻R E ，T 3的交流等效电阻r CE3远远大于R E ，可以进一步提高差分放大器对共模信号的抑制能力。
当差分放大器的电路结构对称，元件参数和特性相同时，两个三极管集电极的直流电位相同。
但在实验过程中，由于三极管特性和电路参数不可能完全对称，导致差分放大电路在输入信号为零时双端输出却不为零。
故需要对差分放大电路进行零点调节。
当T 1、T 2的基极分别接入幅度相等、极性相反的差模信号时，使两管发射极产生大小相等、方向相反的变化电流。
当两个电流同时流过发射极电阻R E （K 拨向C ）时，其作用互相抵消，即R E 中没有差模信号电流流过。
但对T 1、T 2而言，一个管子集电极电流增大，另一个管子集电极电流减小，于是两管集电极之间的输出电压就得到了被放大了的差模输出电压。
当共模信号作用于电路时，T 1、T 2的发射极电流的变化量相等，显然R E 上电流的变化量为2△I E ，由此而引起的R E 上的电压变化量△u E 的变化方向与输入共模信号的变化方向相同，使B -E 间的电压变化方向与之相反，导致基极电流变化，从而抑制了集电极电流的变化。
集成运算放大器几乎都采用差分放大器作为输入级。
这种对称的电压放大器有两个输入端和两个输出端，根据电路的结构可分为，双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出及单端输入单端输出。
若电路参数完全对称，则双端输出时的共模电压放大倍数A C =0，共模抑制比K CMR 越大，说明电路抑制共模信号的能力越强。
1. 静态工作点的估算 典型电路（K 接R E ）：
E
BE
EE E R U V I -=
（认为U B1=U B2≈0） E 2C 1C I 2
1
I I =
= 恒流源电路（K 接T 3）：
I C3≈I E3≈3
2
12
)(E BE
EE CC R U V V R R R -+⨯+ 3C 2C 1C I 21=I =I
2. 差模、共模电压放大倍数
当差分放大器的发射极电阻R E 足够大，或采用恒流源时，差模电压放大倍数由输出方式决定，而与输入方式无关。
双端输出： R E =∞， R W 在中心位置，则：
W
be 1
B C
i
O
d R )1(2
1
r R R u u A β+++β-=∆∆=
单端输出： d i 1C 1d A 21u u A =∆∆=
d i 2C 2d A 2
1
u u A -=∆∆= 当输入共模信号时，若为单端输出则有：
)
R 2R 21
)(1(r R R u u u u A A E W be 1B C
i
2
C i 1C 2C 1C +β+++β-=∆∆=∆∆=
=≈
E
C
R 2R 若为双端输出，在理想情况下：
i
O
C u u A ∆∆=
≈0 实际上由于元件不可能完全对称，因此A C 也不会绝对等于零。
3.共模抑制比K CMR
为了表征差分放大器对有用信号（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：
C d CMR A A K =
， 或 C
d CMR A A
lg 20K = （db ） 差分放大器的输入信号可采用直流信号也可用交流信号。
三、实验仪器与设备
1. DS1052E 型数字示波器
2. DG1022型双通道函数/任意波形发生器
3. YB2173F 智能数字交流毫伏表
4. DT9205型数字万用表
5. EL -ELA -Ⅳ型模拟电路实验仪
四、实验内容及步骤
注：进行以下测量时，交流毫伏表后面板上的浮置／接地开关应置于“浮置”，否则实验无法正常进行。
1.典型差动放大电路（K 接R E ）性能测试
在模拟电路实验仪上找到实验电路，开关K 拨向C ，构成典型差分放大器。
（1）测量静态工作点
使差分放大器的输入电压u i =0，接通±12V 直流电源，用直流电压档测量双端输出电压u O ，调节调零电位器R W ，使u O =0。
再分别测量T 1、T 2管的各级电位U C1、U B1、U E1、U C2、U B2、U E2，及发射极电阻R E 上的电压U RE ，将所测数据记入表8-1中，并按表中要求计算出相应数据。
（2）测量差模电压放大倍数A d ① 输入交流信号
用函数信号发生器在输入端A 、B 间输入f=1kH Z ，u i =100mV 的正弦信号（即双端输入方式，注意：此时信号
源浮地）。
两个输出端接示波器。
在输出波形不失真的条件下，测量u i、u C1、u C2，及双端输出电压u Od，记入表8-2中。
并同时观察记录u i、u C1、u C2之间的相位关系及u RE随u i改变而变化的情况（要求画出波形图，如测u i时因浮地有干扰，可分别测A点和B点对地间的电压，两者之差为u i）。
②输入直流信号
在模拟电路实验仪上选取-5V～+5V可调直流信号源，接入差分放大器的输入端A和B，调节信号源的旋钮，使差分放大器的输入信号为U i=1V，用直流电压档测量U i、U C1、U C2，及双端输出电压U Od，记入表8-2中（此时应注意：U C1及U C2端的输出量，必须减去U C1、U C2的静态值）。
（3）测量共模电压放大倍数A C
①输入交流信号
将差分放大器的输入端A、B短接，用函数信号发生器在A 、B和地之间输入f=1kH Z，u i=1V的共模正弦信号（双端输入方式，注意：此时信号源浮地），测量u i、u C1、
表8-1差分放大电路静态测量记录
u C2及u OC之值，记入表8-2中（测量u OC时，可用u C1及u C2的测量值计算出来）。
②输入直流信号
在差分放大器的输入端A、B与地之间输入Ui=1V的直流共模信号，测量方法与测量差模放大倍数的②相同。
2. 具有恒流源的差分放大电路（K接T3）性能测试
将图8-1电路中的开关K拨向D，构成具有恒流源的差分放大电路，重复以上实验内容，将测量结果记入表8-1、8-2中。
比较两种电路的性能。
五、预习报告要求
1. 根据实验电路参数，估算典型差动放大器和具有恒流源的差动放大器的静态工作点及差模电压放大倍数（取β1=β2=100，rbe≈1kΩ）。
回答思考题：
2. 测量静态工作点时，放大器输入端A、B和电源的“地”之间应如何连接？
3. 实验中怎样获得双端和单端输入差模信号？怎样获得共模信号？画出A、B端与信号源之间的连接图。
4. 如何用交流毫伏表测量双端输出电压u O？
表8-2差分放大电路动态测量记录
六、实验报告要求
1. 整理实验数据，列表比较实验结果和理论估算值，分析误差原因。
（1）静态工作点和差模电压放大倍数。
（2）典型差分放大电路单端输出时的K CMR实测值与具有恒流源的差分放大器的K CMR实测值比较。
2. 说明电阻R E和恒流源的作用。