实验3.7差动放大器

低频电子线路实验

实验3.7 差动放大器

一、实验目的

（1）理解差动放大器的工作原理，电路特点和抑制零漂的方法。 （2）掌握差动放大器的零点调整及静态工作点的测试方法。

（3）掌握差动放大器的差模放大倍数、共模放大倍数和共模抑制比的测量方法。

二、实验设备及材料

函数信号发生器、双踪示波器、交流毫伏表、万用表、直流稳压电源、实验电路板。

三、实验原理

图3.7.1 差动放大器实验电路

差动放大器实验电路如图3.7.1所示，其中晶体管T1、T2称为差分对管，与电阻RC1

、RC2及电位器RW共同组成差动放大的基本电路。其中RC1=RC2，RW为调零电位器，若电路完全对称，静态时RW应处为中点位置，若电路不对称，调节RW，使Uo两端静态时的电位相等（Uo = 0）。

晶体管T3、D1与电阻Re3和R2组成恒流源电路，可以为差动放大器提供恒定电流I0。两个R1为均衡电阻，给差动放大器提供对称的差模输入信号。由于电路参数完全对称，当外界温度变化，或电源电压波动时，对电路的影响都是一样的，因此差动放大器能有效的抑制零点漂移。

1、差动放大器的输入输出方式，如图3.7.1所示电路。 根据输入信号和输出信号的不同方式有四种连接方式。

（1）双端输入—双端输出：输入信号Ui加在Ui1、Ui2两端：Ui =Ui1-Ui2；输出Uo取自Uo1、Uo2两端：Uo =Uo1-Uo2。

（2）双端输入—单端输出：输入信号Ui加在Ui1、Ui2两端：Ui =Ui1-Ui2；输出Uo

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取自Uo1或Uo2到地的信号：Uo=Uo1或Uo=Uo2。

（3）单端输入—双端输出：输入信号加在Ui1上，Ui2接地（或Ui1接地而信号加在Ui2上）；输出Uo取自Uo1、Uo2两端：Uo =Uo1-Uo2。

（4）单端输入—单端输出：输入信号加在Ui1上，Ui2接地（或Ui1接地而信号加在Ui2上）；输出Uo取自Uo1或Uo2到地的信号：Uo=Uo1或Uo=Uo2。

连接方式不同，电路的性能参数有所不同。 2、静态工作点的计算

具有恒流源的差动放大器静态时（Ui = 0），由恒流源电路得 I0=

UD-UBE

Re3

（3-7-1）

其中UD为稳压管D1的稳压值，UBE为发射结压降。

差动放大器中的T1、T2参数对称，则

IC1 = IC2 = I0 /2 （3-7-2）

UC1=UC2=UCC-IC1RC1=UCC-

I0RC1

（3-7-3） 2

由（3-7-3）式可知，具有恒流源的差动放大器的工作点，主要由恒流源I0决定。

3、差动放大器的主要指标计算 （1）差模放大倍数Aud

由分析可知，差动放大器在单端输入或双端输入方式不同时，它们的差模电压增益相同。但是对双端输出和单端输出方式的不同，差模电压增益不同。在此仅分析双端输入情形，单端输入情形可自行分析。

差动放大器的两个输入端分别输入两个大小相等，极性相反的差模信号Uid1、Uid2

（Uid1=-Uid2），差动放大器的差模输入信号Uid = Uid1-Uid2。

双端输入—双端输出时，差动放大器的差模电压增益为

Aud

UodUod1Uod2RL

Au1

UidUid1Uid2

Rbrbe(1)W

2

（3-7-4）

R式中 RLRC||L。Au1为单管电压增益。 2

双端输入—单端输出时，差模电压增益为：

Aud1

Uod1Uod11RL

（3-7-5） Au1

Uid2Uid122(Rbrbe(1)W)2

式中RLRC||RL。

（2）共模放大倍数AuC

差动放大器的两个输入端同时加上两个大小相等，极性相同的共模信号，即

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Uic=Ui1=Ui2。

单端输出时的共模电压增益

 （3-7-6） RLRL

AUoC1UoC2AuC1uC2

RUiCUiC

2ReRbrbe(1)W(1)Re

2

为恒流源的交流等效电阻。即 式中Re

Rerce3(1 rbe3

3RE3

rbe3RE3RB

26(mV)

（3-7-8） =300Ω+(1+β)

IE3(mA)

) （3-7-7）

RB=R2||rD1 （3-7-9） 其中rD1为稳压管D1的动态电阻。由于rbe3（T3的集电极输出电阻）一般为几百千欧，所以ReRL，故共模电压增益AuC

双端输出时，在电路完全对称情况下，则输出电压UoC1=UoC2，共模增益为 AuC=

UoC1-UoC2

=0 （3-7-10）

UiC

式（3-7-10）说明，双端输出时，对零点漂移，电源波动等干扰信号有很强的抑制能力。

如果电路的对称性很好，恒流源恒定不变，则Uo1与Uo2的值近似为零，示波器观测Uo1与Uo2的波形近似于一条水平直线。共模放大倍数近似为零，则共模抑制比KCMR为无穷大。如果电路的对称性不好，或恒流源不恒定，则Uo1、Uo2为一对大小相等极性相反的正弦波（示波器幅度调节到最低档），用长尾式差动放大电路可观察到Uo1、Uo2分别为正弦波，实际上对管参数不一致，受信号频率与对管内部容性的影响，大小和相位可能有出入，但不影响正弦波的出现。

（3）共模抑制比KCMR

差动放大电器性能的优劣常用共模抑制比KCMR来衡量，即：

AA

KCMR=ud或 KCMR=20 lg ud dB

AuCAuC 单端输出时，共模抑制比为：

Aud1RL K （3-7-12） CMR

AuCR+r+(1+)W

bbe

2

（3-7-11）

双端输出时，共模抑制比为：

KCMR

Aud

 （3-7-13） AuC

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四、实验内容

如图3.7.1所示连接实验电路，将F点与C点相连接。注意正、负电源的接法。 1、调整静态工作点（操作性实验）

接上正、负电源，不加输入信号，将输入端Ui1、Ui2两点接地，再用万用表直流档分别测量差分对管T1、T2的集电极对地的电压UC1、UC2。如果测量结果UC1≠UC2，调整电位器RW使UC1=UC2，或者使它们非常接近。若调节RW始终都无法满足UC1=UC2 且相差比较大时，可适当调整电路的参数如RC1或RC2，使RC1与RC2不相等以满足电路对称（比如在RC1上并接一个电阻，这样减小RC1使电路对称）。再调节RW满足UC1=UC2。然后分别测量UC1、UC2、UB1、UB2、UE1、UE2的电压，根据测量数据计算IC1和IC2，记入表3-7-1中左边实际测量值栏内，与右边的理论计算值进行比较。

表3-7-1 静态工作点测量数据记录 I0 = mA （电压单位 /V ；电流单位 /mA）

2、单端输入电路的测量（验证性实验）

将Ui2端接地，从Ui1端输入f =1 kHz、Uid =50 mVp-p正弦波信号。 （1）单端输出

双踪示波器两个探头，分别测量单端差模输出电压Uod1（Uo1）、Uod2（Uo2）的波形，观察它们的相位关系。记录Uod1和Uod2的波形与幅度（峰峰值），以Uid的相位为参考，表示出它们之间的相位关系。计算单端输出的差模放大倍数Aud（单），记入表3-7-2。

表3-7-2 差动放大器测量数据记录（单端输入情形）

uid

t

uod1

t

uod2

uod

2）双端输出

测量双端输出差模电压Uod（=Uod1

-Uod2）的波形，方法是

在前面测量Uod1和Uod2的基础上，调节“VOLTS/DIV”垂直灵敏度及其微调档使CH1、CH2两通道完全相同，在“MODE”垂直显示方式中选择“ADD”叠加方式，按下“CH2

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INV”CH2反相按键，即可得到差分波形Uod。记录Uod的波形与幅度（峰峰值），计算差模双端输出的放大倍数Aud（双），记入表3-7-2。

（3）用固定电阻Re=10 kΩ代替恒流源电路，即将F点与D点相连接，组成典型的长尾式差动放大电路，静态（Ui = 0）时调节RW，使Uo = 0。再重复上述实验步骤（1）、（2），记入表3-7-2，并与恒流源电路相比较后说明。

3、双端输入情形测量（验证性实验） （1）共模信号输入

将输入端Ui1、Ui2两点连接在一起，从Ui1端输入f =1 kHz、有效值为1V的正弦信号UiC为共模信号，双踪示波器观察单端共模输出UoC1（Uo1）和UoC2（Uo2）波形，注意观察它们的相位关系。用毫伏表分别测量T1、T2两管集电极对地的共模输出电压UoC1和UoC2（注意表示出它们之间的相位关系），则双端输出的共模电压为UoC = UoC1-UoC2。自拟表格记录测量数据并计算出单端输出的共模放大倍数AuC（单）（AuC1或AuC2）、双端输出的共模放大倍数AuC（双）。

（2）差模信号输入

Ui1、Ui2端分别与A、B点连接，将两路差模信号Ui1、Ui2（预习准备好）分别输入Ui1、Ui2端。与共模输入情形时类似，测量差模输入时单端输出和双端输出的放大倍数Aud（单）、Aud（双）和共模抑制比KCMR（单）、KCMR（双）。自拟表格记录测量与计算数据。

4、差动放大器的差模传输特性测试（验证性实验）

差动放大器的F点与C点相连接。把信号发生器输出f =100 Hz、Uid =50 mVp-p的正弦波信号输入到差动放大器的Ui1端，Ui2端接地；同时将此输入信号送至示波器的“TRIG IN”外触发信号输入端。示波器的“SOURCE”触发源选择置“EXT”外触发位置；“TIME/DIV”水平扫描速度开关置“X-Y”位置。差动放大器的两输出端Uo1和Uo2分别接至示波器的CH1、CH2输入端。示波器的“MODE”垂直方式开关置“DUAL”两通道同时显示位置，并且CH1、CH2的垂直灵敏度应相同。逐渐增大信号发生器输出的信号幅度，即可在示波器显示屏上显示出差动放大器的差模传输特性曲线，调整RW，使曲线对称。

五、预习要求

1、复习差动放大器的组成、静态工作点和主要性能指标的定义及其计算方法。 2、熟悉差动放大器静态工作点的调试方法，熟悉放大器主要性能指标的测量方法。 3、准备实验内容3中需要的双端输入的差模信号。

六、实验报告与思考题

1、详细记录各项数据，计算出差模放大倍数、共模放大倍数以及共模抑制比，并分析总结实验结果。

2、差动放大器中的发射极Re起什么作用？用恒流源代替Re有什么好处？

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