差分放大電路

差分放大電路具有電路對稱性的特點，此特點可以起到穩定工作點的作用，被廣泛用於直接耦合電路和測量電路的輸入級。但是差分放大電路結構複雜、分析繁瑣，特別是其對差模輸入和共模輸入信號有不同的分析方法，難以理解，易於混淆，是模擬電子技術基礎課程的難點與重點。

差分放大電路有差模和共模兩種基本輸入信號，由於其電路的對稱性，當兩輸入端所接信號大小相等、極性相反時，稱為差模輸入信號；當兩輸入端所接信號大小相等、極性相同時，稱為共模信號。通常我們將要放大的信號作為差模信號進行輸入，而將由温度等環境因素對電路產生的影響作為共模信號進行輸入，因此我們最終的目的，是要放大差模信號，抑制共模信號。 ^[2] 

模擬電子技術中常使用的模擬量在經過傳感器之後轉換的電信號都比較微弱，為了能更好的測量這些微弱信號，一般都會對其進行放大處理。但是對於模擬量轉換的電量為變化緩慢的非週期性信號時，例如温度、流量、液麪等模擬量，對於這種信號一般採取通過直接耦合放大電路放大後再驅動負載，但是直接耦合放大電路會有零點漂移現象（輸入電壓為零而輸出電壓的變化不為零），為了抑制零點漂移一般採用特性相同的晶體管（版圖尺寸相同），這樣的電路稱為差分放大電路。 ^[3] 

差分放大電路是直接耦合放大電路的基本組成單元，該電路對於不同的輸入信號有不同的作用，對於共模信號起到很強的抑制作用，而對差模信號起到放大作用，並且電路的放大能力與輸出方式有關。

當今世界之所以能稱之為智能化的時代，是由於各種智能化的設備得到了普及，而這些智能化設備之所以能夠智能化，離不開功能各異的各種傳感器，而這些傳感器所採集到的電信號一般都很微弱，同時這些微弱的電信號往往都是低頻信號，所以對這些信號進行放大處理時，需要採用直接耦合放大電路進行放大，所謂直接耦合放大器就是各級放大器的級聯是靠導線直接連接，因此直接耦合連接方式有很好的低頻特性同時又很容易做成集成電路。

直接耦合放大電路雖然有以上幾大優勢，但普通的直接耦合放大電路存在零點漂移現象，所謂“零點漂移”，就是當輸入信號為零時而輸出信號不為零。差分放大電路是一種直接耦合放大電路，差分電路本身具有良好的電氣對稱性，使其對共模信號有良好的抑制作用，所以能有效地抑制零點漂移現象的發生。 ^[4] 

差分放大電路利用電路參數的對稱性和負反饋作用，有效地穩定靜態工作點，以放大差模信號抑制共模信號為顯著特徵，廣泛應用於直接耦合電路和測量電路的輸入級。但是差分放大電路結構複雜、分析繁瑣，特別是其對差模輸入和共模輸入信號有不同的分析方法，難以理解，因而一直是模擬電子技術中的難點。

如圖1所示是基本的共射放大電路。

其靜態工作點基本穩定。但是温度變化會使得集電極電流發生微小的變化，採用直接耦合的方式會進一步放大該變化，引起靜態工作點的變化。

在輸出位置構建有一個完全一樣的鏡面電路，如圖2所示。差分放大電路對共模信號起到了很強的抑制作用，理想情況下共模輸出為零。

按輸入輸出方式分：有雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出和單端輸入單端輸出四種類型。具體電路見圖3。單端輸出的差分放大電路在T1管的集電極連接了一個負載電阻RL然後直接接地，同時取消了T2管的接線端，具體電路如圖3（b）所示。單端輸入的差分放大電路僅僅只有一個輸入，另外一個輸入口直接接地，具體電路如圖3（b）所示。

此時電路不再對稱，靜態工作點和其他動態參數也發生了改變，同時由於差分放大電路的放大能力只和輸出形式有關，因此可將電路分成單端輸出和雙端輸出兩大類進行分析。 ^[1] 

零點漂移現象的產生，其原因有很多，但最為主要的原因還是晶體管受到外部温度變化所引起的靜態工作點的波動，所以零點漂移也常被稱為温度漂移，簡稱温漂。那差分放大電路是如何做到抑制温漂的呢？

圖4所示電路為長尾差分放大電路，當兩端的輸入信號電壓為零，即 uI1=uI2=0 時，也就是電路處於直流工作狀態。理想情況下，因為 T1與 T2管的電氣特性完全相同，其外接電阻參數也相同，那麼就有集電極對地電位Ucq1=Ucq2的結果，所以靜態時的輸出電壓Uo=0。

如果外界温度升高了，理想情況下，Icq1和Icq2也會同時增大，而且其增大幅度完全相同，從而導致兩個集電極電阻上的壓降出現等值幅度的增大，進而使 Ucq1和 Ucq2同時等值幅度變化，所以輸出Uo=Ucq1–Ucq2=0保持不變。如果外界温度降低了，將會引起上述變化的一個反過程，最後得到的結果還是輸入電壓保持不變。經過上述分析，我們發現差分電路巧妙地利用電路的對稱性消除了放大電路在輸出端的零點漂移。此外，增大發射極電阻也可以穩定工作點。實際上，集成電路中的差分對管，不會完全一致，總存在不對稱的情況，因此運算放大器總存在温漂。所以，當運放做為微弱信號的前級時，温漂稱為非常重要的技術指標。

（1）差模電壓放大倍數

差模電壓放大倍數定義為輸出電壓與輸入差模電壓之比。分為雙端輸出和單端輸出。

（2）差模輸入電阻

差模輸入電阻定義為差模輸入電壓與差模輸入電流的比。

共模電壓放大倍數

在差動電路中，因温度變化，電源波動引起的兩個差動管的等效輸入漂移電壓，相當於一對共模信號，由於接地電阻的負反饋作用，使得每管的輸出端漂移電壓大為減少，如果雙端輸出，則被完全抵消。

Ad是差模信號放大倍數、Ac共模信號放大倍數。

越大電路的性能也就愈好。因此增大Re是改善共模抑制比的基本措施。

一個理想的差分放大器，當輸入信號等於零時，其輸出端電壓為零，但在實際電路中，由於電路不可能完全對稱，所以輸出電壓並不為零，這種輸入為零輸出不為零的現象稱為差分放大器的失調。失調是由於管子參數和電路元件參數不對稱引起的。

如圖5所示，失調電壓為：

為了減小失調電壓應採取以下幾項措施：

（1）儘量採用對稱的晶體管T1，T2管。

（2）採用低偏置，即

小的電路。