一种差动放大器输出转换电路的研究

覃远年，田　柯，孙丽真（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004）

一种差动放大器输出转换电路的研究

覃远年，田柯，孙丽真
（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004）

设计了一种差动放大器的教学电路，研究了电阻负载和恒流源负载的差动放大器的特性。实验电路切换简单，测量方便，便于实践。使用Multisim 10对电路进行仿真，测算了两种差动放大器电路的静态工作点、差模电压放大倍数、共模电压放大倍数以及共模抑制比等。实验结果表明，该电路实现了双端输出转单端输出路，达到电路转换目的。

教学；差动放大器；Multisim 10；零点漂移；电路转换

0　引言

提升系统性能要从放大器开始。差动放大器是一种平衡对称电路，特别适合在集成电路中使用。差动放大器有两个输入端子和两个输出端子。在模拟集成电路中，差动放大电路是使用最广泛的单元电路。它不仅可与另一级差动放大器直接级联，而且具有优异的差模输入特性。它几乎是所有集成电路、数据放大器、模拟乘法器等电路的输入级［1］。在多级直接耦合放大器中，零点漂移产生的输出干扰将使放大器无法放大和输出微弱信号。输入级的零点漂移是产生这种干扰的主要原因。零点漂移也叫温漂，可描述为：当放大电路输入信号为零（即没有交流电输入）时，受温度变化、电源电压不稳等因素的影响，静态工作点发生变化并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象。为了达到简化电路、便于集成的目的，将电阻负载差动放大器的双端输出转换成有源负载差动放大器的单端输出，在保证共模抑制（零点漂移）的前提下，提高了差模增益。

1　理论分析与实验结果

图1为本实验方案差动放大器的结构图，使用 Multisim 10［2-3］对电路进行仿真。通过开关 S1～S5进行控制，选择不同的偏置电路和负载电路来进行实验研究。由于晶体管内部参数不一致性，需用平衡电阻Rw来调节［4-5］。T1和T2管通过发射极电阻Re互相联系并实现差动功能，为了提高电路的温度稳定性、减小零点漂移、克服两管参数的不对称性以及提高电路对共模信号的抑制能力等，一般需要选择较大的电阻Re。电感L1和电容C1是电源去耦电路，用来消除共电耦合［6］。

将开关 S3和 S4打到集电极电阻一边，为电阻负载电路差动放大器。开关S1和S2令信号源u1和u2置零，开关S5用来选择单端输出或者双端输出。调节平衡电阻Rw，根据电路综合考虑，Rw一般选取几百欧姆，本方案中Rw=400 Ω［5］。使负载 R4两端的输出电压为零，实测值 R4两端电压 Uo=10.36 μV，很小，可忽略。将开关S3、S4打到另外一边，为有源负载差动放大器电路；S5接地，为单端输出。

图1　差动放大器电路图

1.1静态工作点测量

T1管的UBE1=UBE2≈0.7 V（硅管）。构成差动放大器的晶体三极管为 2N914的 NPN硅管。放大系数 β=60。两种电路的静态工作点比较如表1所示。

表1　两种电路的静态工作点比较

对于 NPN三极管，UCQ＞UBQ＞UEQ，三极管工作在放大区；对于任何一个BJT放大电路来说，首先必须选择合适的静态工作点Q，以保证信号电压（电流）的正负半周范围内，BJT都工作在放大区，否则就会出现饱和失真和截止失真。有源负载差动放大器UCQ比较大，静态工作点偏低，当输入信号增大时，容易出现截止失真，即输出波形上部变平。

1.2交流小信号输入

当U1=-U2时，为差模信号输入，测试信号最大值为50 mV，频率1 kHz。由于差放电路的对称性，计算差模的电压增益和共模的抑制特性，选取左半边作微变等效电路，图2为电阻负载差动放大器的单边交流小信号微变等效电路，图3为有源负载差动放大器电路的微变等效电路，具体数据如表2所示。

图2　电阻负载差动放大器的单边交流小信号微变等效电路

图3　有源负载差动放大器的交流小信号微变等效电路

表2　两种电路的交流通路测量

图2中放大倍数计算如下：

图3中放大倍数计算如下：

左边黑框中为 T5管的等效电阻 R01=rbe5//rbe6，电阻较小；右边黑框中为 T6管的等效电阻 R02≈rce6，电阻很大；相当于差动放大器T1管所接的集电极电阻较小，T2管所接的集电极电阻很大。

当 U1=U2时，也作微变等效电路求解。Uic=Uic1=Uic2；Rem为比例恒流源偏置的输出电阻，值很大，可忽略。

由表2可知，有源负载差动放大器的放大倍数是电阻负载差动放大器的两倍以上。在增益提高的同时，采用有源负载的差动放大器便于集成，体积小，电路更加精密。根据共模抑制比

和共模抑制CMR= 20log10KCMR可计算出：双端输入单端输出电阻负载电路差动放大器的KCMR=365.6，CMR=51.26 dB；双端输入双端输出电阻负载电路差动放大器的 KCMR=1.19×107，CMR=141.5 dB；双端输入单端输出有源负载电路差动放大器的 KCMR=322.7，CMR=50.2 dB。

综上所述，信号的共模抑制比有所下降，通过分析和计算，共模信号也得到了很好的抑制。

2　结论

Multisim 10具有强大的电路设计和仿真分析功能，结合微变等效模型分析计算。采用恒流源作负载时，由于两端的输出电压不平衡，因此一般采用单端输出，实现了由电阻负载差动放大器双端输出到单端输出的输出转换功能，差模增益大大提高，共模抑制也较明显，而且便于在集成电路中使用。由式（7）可知，射极负反馈偏置电阻 Rem越大，对于共模信号抑制比较明显，而且在静态时对工作电流 ic1、ic2具有负反馈作用，能稳定静态工作电流 iee，抑制工作点随温度变化产生的零点漂移。采用恒流源作为差放发射极的偏执电阻，不但能为差放提供稳定的偏执电流，而且恒流源具有很大的动态内阻，取代 Rem，大大提高了差放对共模信号的抑制能力。采用开关变换电路操作简单，测试结果明显，便于提高在差动放大器研究中的动手能力。

［1］王卫东，李旭琼．模拟电子技术基础［M］．北京：电子工业出版社，2010.

［2］张爱英.基于 Multisim的三极管放大电路仿真分析［J］.现代电子技术，2013（4）：123-126.

［3］吕曙东.Multisim 10在差动放大电路分析中的应用［J］.现代电子技术，2010（22）：24-27.

［4］顾振远.差动放大器的原理及四种连接方法（上）［N］.电子报，2011-05-15.

［5］王志辉.关于差动放大器中 Rw电阻的平衡原理［J］.青岛教育学院学报，1995（1）：37-39.

［6］王卫东．高频电子电路［M］．北京：电子工业出版社，2009.作者简介：

覃远年（1971－），男，高级实验师，主要研究方向：无线通信系统，移动通信系统，UWB技术。

田柯（1989－），男，硕士研究生，主要研究方向：数字通信中信号处理。

孙丽真（1988－），女，硕士研究生，主要研究方向：数字通信中信号处理。

Research on a differential amplifier output conversion circuit

Qin yuannian，Tian Ke，Sun Lizhen
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

A teaching circuit is designed in this paper，aiming to study the characteristics of differential amplifier which adopts resistive load and constant current source load.The circuit is simple to switch，convenient to measure and helpful for the improvement of ability.It uses Multisim 10 to simulate the circuit to measure and calculate the quiescent operating point，the differential-mode voltage gain，common-mode voltage amplification，common-mode rejection ratio and some other characteristics of both differential amplifier circuit.The result shows that the circuit has implement the switch of double-ended output to single-ended output channel，and the purpose of circuit switching has been achieved.

teaching；differential amplifier；Multisim 10；zero drift；circuit switching

TN7

A

1674-7720（2015）02-0074-03

（2014-08-27）