差分放大器

差分式放大器又叫分差式放大器或差动式放大器。这是一种重要的、特殊的放大器，是晶体管电路和集成电路中的基本单元电路之一。差分放大器的用途很广，在自动控制中广泛采用的直流放大器，第一级几乎无例外地应用差分放大器，在技术革新和工程制作中经常用到的运算放大器和稳压电源，也包含有差分放大器电路。

图1是最基本的差分放大器电路，其中两个晶体管应该挑选特性一致的，通常把它们称为“差分对”。集电极负载电阻的数值也应相同，即R\(_{c1}\)=Rc2。两管发射极所接的公共电阻R\(_{e}\)一般要选得较大。信号电压V1、V\(_{2}\)由两个晶体管的基极输入，输出电压Vo由两管的集电极取出，V\(_{o}\)=Vo1-V\(_{o2}\)。

这种差分电路是怎样进行电压放大的呢？

我们先看没有输入信号即V\(_{1}\)=V2=0时的情形。由于R\(_{e}\)接负电源电压（-Ee），所以即使没有输入信号，两管仍然导通。显然，V\(_{ol}\)=Ec－I\(_{cl}\)Rc1，V\(_{O2}\)=EC-I\(_{C2}\)RC2。由于V\(_{o}\)=Vo1-V\(_{o2}\)，所以Vo=I\(_{C2}\)RC2-I\(_{C1}\)RCl。这时输出电压V\(_{o}\)应该等于0（因为管子特性一致，且BC1=R\(_{C2}\)）。

我们再看输入大小相等，极性相反的两信号时的情形，如图2所示。我们把这种大小相等、极性相反的两输入信号叫差模信号。显然，在差模信号的作用下，两管集电极电流变化大小相等、方向相反，即一个管子的电流增大，另一个管子的电流减小，而且增大和减小的数值也是相等的，因此流过R\(_{e}\)的总电流Io和没有加差模信号时一样，不发生变化，当然，发射极的电位也不变。这就是说，R\(_{e}\)对差模信号没有负反馈作用，因此它对差模信号的放大倍数没有影响。由于同样的原因，电源-Ee的内阻对差模信号的放大倍数也无影响。这样，我们在分析差模信号的放大倍数时，可以认为BG\(_{1}\)与BG2的发射极是直接接地的。于是我们便能得出差分放大器放大差分信号时的等效电路，如图3所示。图3中的BG\(_{1}\)、BG2分别构成了两个最基本的单管放大器，而每个单管放大器的电压放大倍数为：

其中r\(_{be1}\)、rbe2分别为两管的输入电阻。

在理想情况下，β\(_{1}\)=β2=β，r\(_{be1}\)=rbe2=r\(_{be}\)，RC1=R\(_{C2}\)=RC，所以

比例系数\(\frac{βR}{_{C}}\)rbe就是差分放大器的电压放大倍数，记作K\(_{v}\)。由此可见，差分放大器能够放大差模信号，而且电压放大倍数和单管放大器完全相同。

下面我们再看输入另外一种信号时的情形，如图4所示，在放大器的两个输入端加上大小相等（V\(_{1}\)=V2）、极性相同的信号，这种信号就叫共模输入信号。理想的差分放大器对共模输入信号的放大倍数为0。这个道理是很明显的，因为从差分放大器的基本电路来看，它具有对称的结构，因此当两管输入正的或负的共模信号时，两管集电极电压将同时升高或降低，而且升高或降低的数值也相同。又因为输出电压取自两管集电极之间，因此两管集电极电压的变化被互相抵消了。这就是说，虽然放大器有共模信号输入，但输出仍然为0。后面我们将要讲到，由于电路参数不一致，单靠对称的电路结构不能完全消除共模信号对输出电压的影响。最好的办法是，当输入共模信号时，使每管集电极电压的变化都很小。电阻R\(_{e}\)就能起这个作用。我们仍以图4为例说明这个问题。在图4中，两管同时加了正的共模信号，因此两管集电极电流同时增大，这就使Re上的电流增加，从而导致R\(_{e}\)上的电压增大，两管发射结电压Vbel、V\(_{be2}\)同时减小，以致两管基极电流也同时减小，从而限制了Ic1、I\(_{c2}\)的增大，使每管集电极电压的变动都很小。实际上这是利用了Re对共模信号的强烈负反馈作用。当R\(_{e}\)足够大时，只要Io增加一点点，就会产生不小的△V\(_{be}\)，由此导致每管的Io减小，进而使每管的集电极电流和集电极电压都近似维持不变。当然，R\(_{e}\)的数值不能无限制地加大，因为为了维持工作点电流Ib不变，加大R\(_{e}\)的同时，必须加大电源-Ee，这是不合理的。实际上R\(_{e}\)常用恒流源代替，见图5（R1、R\(_{2}\)、R3、BG\(_{3}\)构成恒流源电路）。因为晶体管的动态输出阻抗很高，所以采用恒流源代替Re，就能在较低的-E\(_{e}\)时得到和用较大的Re同样的效果。

差分放大器能够抑制共模信号，这是它的突出优点。我们知道，在单管直流放大器中，由于温度的变化和电源电压的波动，会使它们的工作点发生变化，即产生所谓零点漂移，而在差分放大器中，温度的变化和电源电压的波动对两管造成的影响，都属于共模信号，因此能被差分放大器抑制。这就是差分放大器零点漂移极小的原因。此外，差分放大器的抗干扰能力极强，适合在背景噪音高的场合放大弱小信号。因为来自机电设备和自然环境的电干扰在差分放大器的两输入端感应的干扰电压通常是相同的。例如，我们在作心电图时，心电信号是从贴在皮肤不同部位的电极取出，然后加到差分放大器的两输入端，该信号很弱，而50赫的电网干扰往往却很强，这样的干扰也是共模信号。在这种情况下，如果用单管放大器，往往就不能工作。

前面对共模信号的讨论，是假定差分放大器的电路参数完全对称的。实际上，差分对管BG\(_{1}\)与BG2的特性不可能完全一致，电阻R\(_{c1}\)、Rc2的数值也不可能完全相等。因此，即使在差分放大器没有输入信号，即V\(_{1}\)=V2=0时，输出电压也不为0。这时的输出电压称为 “输出失调电压”。

参数不对称怎样产生输出失调电压呢？我们再看图2，先假设差分对管特性一致，即V\(_{1}\)＝V2=0时，I\(_{Cl}\)=IC2=\(\frac{1}{2}\)I\(_{o}\)，但是RCl与R\(_{C2}\)有误差，即RC1≠R\(_{C2}\)，这时输出失调电压Vo=I\(_{C2}\)RC2－I\(_{C1}\)RC1=1;2I\(_{o}\)（RC2-R\(_{C1}\)）；我们再假设RC1=R\(_{C2}\)=RC，而差分对管的特性不一致，例如在相同的基极电流下，它们怕发射结正向压降不同（V\(_{be1}\)≠Vbe2），那么当V\(_{1}\)=V2=0时（相当于发射结加相同的电压），必然有不同的基极电流，因而有不同的集电极电流，于是也产生输出失调电压V\(_{o}\)=RC（I\(_{C2}\)－IC1）。

需要说明，单看输出失调电压的大小，还不足以评定差分放大器质量的优劣，因为放大器的放大倍数有大有小，同样大小的输出失调电压，对不同的放大器来说，干扰的严重程度不同。只有把输出失调电压除以放大倍数，折合为输入失调电压，才能明确地看出该电压相对于输入信号来说是否可以忽略。所以一般所说的失调电压，实际指的是输入失调电压，常用V\(_{os}\)来表示。

什么是输入失调电流呢？所谓输入失调电流，是指输出电压为0时，两管基极电流之差，常用I\(_{os}\)来表示，即Ios＝I\(_{bl}\)-Ib2（注意条件是输出为0），或者说，为了使输出电压为0，必须在输入端加上不同的基极电流。

I\(_{os}\)通常是由于差分对管的β不对称造成的。因为Vo=I\(_{C2}\)RC2-I\(_{C1}\)RC1=0，就意味着I\(_{C2}\)RC2＝I\(_{C1}\)RCl，假设R\(_{C2}\)=RC1，则I\(_{C2}\)=IC1，即I\(_{b1}\)β1=I\(_{b2}\)β2。如果β\(_{1}\)≠β2，为了保持输出为0，那就必须使I\(_{bl}\)≠Ib2，它们的差值就是输入失调电流。

失调电压和失调电流都能衡量差分放大器不对称的程度，它们的数值越小，差分放大器的性能就越好。这就是我们在作晶体管差分放大器时，必须精选差分对管及R\(_{C1}\)、RC2的原因。集成电路中各元器件参数一致性较好，所以集成电路差分放大器质量较高。

除了尽量精选元器件之外，还可采用零点调整的方法，以保证放大器在没有输入信号（V\(_{1}\)=V2=0）时，输出电压为0。差分放大器的零点调整一般有三种方法：射极调零（图6a)、集电极调零（见图6b）、基极调零（见图6c）。所谓射极调零就是晶体管发射极接有电位器W，适当调节W就能使输出电压等于0。W取100Ω左右。其它两种调零方法道理也很简单，这里不多讲。

前面介绍的调零电路当输入为0时可以将输出调到0电压，从而消除了失调误差。那么是不是一个参数一致性不良的差分放大器，经过调零之后就可以成为理想的差分放大器了呢？不是的。因为调零电路只能在没有信号输入（V\(_{1}\)＝V2=0）的情况下把输出调到0电压。这样调好了的电路，当有共模输入信号时还会有输出电压，而且输出电压还随着共模输入电压的大小而变化，这就带来了新的误差。因为这种误差是由共模输入电压引起的，所以称为“共模误差”。

为什么会出现共模误差呢？我们用图7来说明。假设图7已经过零点调整，即V\(_{1}\)=V2=0时，V\(_{o}\)=0。我们给它加一共模输入电压Vi，这样，它们的发射极电位（V\(_{e}\)）就和输入为0时不同，因此它们的工作电流Io也稍微有些变化。设I\(_{o}\)的变化为△Io，则每管集电极电流的变化就为\(\frac{1}{2}\)△I\(_{o}\)。如果RC1与R\(_{C2}\)不相等，那么1;2△Io在R\(_{C1}\)和RC2上产生的电压降就不相等，于是便产生新的输出失调电压

这里的V\(_{o}\)就是前面所说的共模误差，其大小随Vi而变化（由于差分对管特性不一致而引起的共模误差这里不再详述）。由此可见，共模误差仍是由于差分放大器电路参数不一致引起的。不过它反映的是随共模信号的大小而变化的“动态”误差，而失调电压反映的是输入电压为0时的一种“静态”误差，这就是二者在概念上的区别。共模误差与共模输入电压V\(_{i}\)之比，称为差分放大器的共模电压增益，用符号AC表示。

对一个差分放大器来说，我们总是希望它对差模信号的增益要大，对共模信号的增益要小，最好是A\(_{c}\)=0。为了全面衡量差分放大器对共模信号的抑制能力，又提出了“共模抑制比”（CMRR）的概念。共模抑制比定义为放大器对共模信号的放大倍数Ac与对差模信号的放大倍数K\(_{v}\)之比，即

在理想情况下，即电路完全对称时，共模增益A\(_{c}\)为0，因此CMRR也为0。实际上电路不可能完全对称，Ac也不为0，因此CMRR也不为0。CMRR是一个很小的数值，约为千分之一到万分之一，甚至更小。这个数值虽然很小，然而在某些场合却不能不认真对待。例如温度控制、电机速度控制等用的差分放大器，往往是一个输入端加参考电压，另一个输入端加控制信号。控制信号大于参考电压时，放大器输出假如为正，控制信号小于参考电压时，放大器输出则为负。这个正的或负的输出信号用来控制炉温的升高或降低，电机的加速或减速。当温度和速度达到要求时，控制信号等于参考电压，放大器不应有输出。采取这种控制方式，就应该考虑共模误差的影响，如果CMRR指标不高，放大器的共模误差就可能产生错误的控制。

以上介绍的只是差分放大器的最基本的电路形式，叫作“双端输入——双端输出”。有时输入信号和负载需要一端接地，这时差分式电路的接法也有所不同。当输入和输出均有一端接地时（见图8a），叫“单端输入——单端输出”；只有输出是一端接地时（见图8b），叫“双端输入——单端输出”；只有输入是一端接地时（见图8c），叫“单端输入——双端输出”。

下面我们着重讲一下图8a的单端输入——单端输出电路是怎样放大输入信号的。由图8a可见，当输入信号V\(_{1}\)为正时，Ic1增大，因此流过R\(_{e}\)的总电流1o增多，这就必然使V\(_{e}\)升高。由于BG2基极接地，所以V\(_{e}\)升高就会使Vbe2减小，从而使I\(_{c2}\)减小。这说明，由于Re的存在，输入信号电压V\(_{1}\)不仅对BG1有控制作用，而且对BG\(_{2}\)也有控制作用。不过V1对它们的控制作用正好相反：使I\(_{cl}\)增加、Ic2减小。仔细分析一下便知，I\(_{c2}\)的减小量总比Icl的增加量为小，因为V\(_{e}\)总要比原来高一些。如果Re很大，V\(_{e}\)上升一点所需要的Io变化是很小的，因此I\(_{C1}\)的增加量和IC2的减小量就十分接近，实际上可以近似地认为I\(_{c1}\)的增加量等于Ic2的减小量。这就相当于把输入电压V\(_{1}\)加在两只管子的基极上，而且是一半加在BG1上，另一半加在BG\(_{2}\)上。显然，其电压放大倍数应等于输出电压Vo与12V\(_{1}\)相比，因此只有单管放大器的一半，即

该电路的输出电压不是两管输出电压之差，所以两管的零点漂移不能互相抵消。但由于R\(_{e}\)对共模信号的强烈负反馈作用，仍可使输出端的零点漂移出单管放大器小得多。（易明銧）