差分放大电路的基本原理与应用

图4.2.1（a）是用两个特性相同的三端器件（含BJT或FET）T1、T2所组成的差分式放大电路，并在两器件下端公共接点e处连接一电流源Io。两器件的输入端I1、I2分别接输入信号电压ui1和ui2，两输出端O1、O2分别连接两只等值的电阻R1和R2。电路则由两个电源V+和V-供电。

图4.2.1　差分式放大电路一般结构及输入信号分解

1.差模信号和共模信号的概念

什么叫差模和共模信号？这是我们应当首先建立的重要概念。如T1、T2是BJT器件，由图4.2.1（a）可以看到有两种电流信号，一种是从I1端到I2端的差模输入电流信号iid，另一种是从两管的I1和I2端分别流入电流源的共模输入电流信号iic。实际上，电流信号是由输入电压信号产生的，因此差模信号是指差分式放大电路两输入端信号的差值部分。在图4.2.1（a）中以电压信号为例，I1和I2两输入端的差模电压信号uid定义为

两输入端的共模电压信号uic是两输入端信号相同的公共部分，uic是两输入电压ui1和ui2的算术平均值，称为共模电压，定义为

当用差模和共模电压表示两输入电压时，由式（4.2.1）和式（4.2.2）可得

由式（4.2.3）、式（4.2.4）可知，两输入端的共模信号uic的大小相等、极性相同，而两输入端的差模电压+uid/2和-uid/2的大小相等，极性则是相反的。这些表达式可用图4.2.1（b）所示的图形表示。当T1、T2加入信号电压ui1和ui2产生的差模输入电流和共模输入电流与图4.2.1（a）所表示的流向是一致的。

2.差分式放大电路的输出

图4.2.1（a）有两种输出方式，即单端输出和双端输出。从O1（或O2）到地之间的输出为单端输出，如输出电压uo1（或uo2）；从O1和O2之间的输出，则称为双端输出，如输出电压uo=uo1-uo2。无论哪种输出方式，输出信号电压总是包含差模输入信号uid和共模输入信号uic分别经放大电路放大后的叠加。uid和uic经放大后在输出端有差模输出电压uod和共模输出电压uoc。类似地，对单端输出时输出电压分别为

双端输出时输出电压为

差分式放大电路的差模电压增益为

差分式放大电路的共模电压增益为

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在差模信号和共模信号同时存在时，对于线性放大电路来说，输出电压uo是uod和uoc的叠加，用叠加原理求出电路总的输出电压，即

放大电路的设计要求差模电压增益Aod高，而共模电压增益Aoc低。

3.共模抑制比KCMR

为了综合反映差分式放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量。其定义为放大电路差模信号的电压增益Aud与共模信号的电压增益Auc之比的绝对值，即

由此可见，差模电压增益越大，共模电压增益越小，则抑制共模信号的能力越强，放大电路的性能越优良，因此希望KCMR值越大越好。共模抑制比有时也用分贝（dB）数来表示，即

4.差分放大电路的工作原理

（1）零点漂移。

零点漂移（简称零漂）指当放大电路的输入端短路时，输出端还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离原来的起始点而上下漂动。在直接耦合多级放大电路中，当第一级放大电路的Q点由于某种原因（如温度变化）而稍有偏移时，第一级的输出电压将发生微小的变化，这种缓慢的微小变化就会被逐级放大，致使放大电路的输出端产生较大的漂移电压。放大增益越高漂移越严重，当输出漂移电压的大小可以和放大的有效信号电压相比时，就无法分辨是有效信号电压还是漂移电压，严重时漂移电压甚至把有效信号电压淹没了，使放大电路无法正常工作。温度变化所引起半导体器件参数的变化是放大电路产生零点漂移的主要原因，为了表示由于温度变化引起的漂移，常把温度升高一度（1 ℃）时，输出漂移电压ΔUo按放大电路的总电压增益Au，折合到输入端的等效输入漂移电压ΔUi（=ΔUo/AuΔT）作为温漂指标。

（2）差分放大电路对零点漂移的抑制。

用BJT替图4.2.1中的三端器件，可以得到BJT典型的差分放大电路，如图4.2.2所示。我们来讨论差分放大电路对零点漂移的抑制作用。在差分放大电路中，无论是温度变化，还是电源电压的波动，都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同地变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号电压，也就是相当于在ui1与ui2所加信号为大小相等、极性相同的输入信号（称为共模信号）。由于电路参数对称，T1管和T2管所产生的电流变化相等，即ΔiB1=ΔiB2，ΔiC1=ΔiC2；因此集电极电位的变化也相等，即ΔuC1=ΔuC2。那么，图中所标注的输出电压uo=uc1-uc2=（UCQ1+ΔuC1）-（UCQ2+ΔuC2）=0，说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用，在参数理想对称的情况下，共模输出为零，Auc=0，所以差分放大电路能够对温漂有较好的抑制作用。

图4.2.2　BJT典型差分放大电路

（3）差分电路对输入信号的放大作用。

为使信号得以放大，需将其分成大小相等的两部分，按相反极性加在电路的两个输入端。这种大小相等极性相反的信号称为差模信号。由于Δui1=-Δui2，且电路参数对称，T1管和T2管所产生的电流的变化大小相等而变化方向相反，即ΔiB1=-ΔiB2，ΔiC1=-ΔiC2。因此集电极电位的变化也是大小相等且变化方向相反的，即Δuc1=-Δuc2，这样得到的输出电压Δuo=Δuc1-Δuc2=2Δuc1，从而实现了电压放大。

在差模信号作用下Re中的电流变化为零，即Re对差模信号无反馈作用，相当于短路，因此大大提高了对差模信号的放大能力。图4.2.2所示的典型差分放大电路，也有文献称之为差动放大电路，所谓“差动"，是指只有当两个输入端之间的电位有差别（即变化量）时，输出电压才有变动（即变化量）的意思。

对于差分放大电路的分析，多是在电路参数理想对称情况下进行的。所谓电路参数理想对称，是指在对称位置的电阻值绝对相等，两只晶体管在任何温度下输入特性曲线与输出特性曲线均完全重合。

应当指出，由于实际电阻的阻值误差各不相同，特别是晶体管特性的分散性，任何分立元件差分放大电路的参数不可能理想对称，也就不可能完全抑制零点漂移；而在集成电路中，由于相邻元件具有良好的对称性，故能够实现趋于参数理想对称的差分放大电路。