【任务目标】
（1）掌握零漂 （温漂）的概念；
（2）重点掌握差分放大电路的分析方法；
（3）掌握差分放大电路的输入、输出方式。
一个理想的直接耦合放大电路，当输入信号为零时，其输出电压应保持不变。实际上把直接耦合放大电路的输入端短接，在输出端也会偏离初始值，即有一定数值的无规则缓慢变化的电压输出，这种现象称为零点漂移，简称零漂。
引起零点漂移的原因很多，如晶体管参数随温度变化、电源电压的波动、电路元器件参数变化等，其中以温度变化的影响最为严重，所以零点漂移也称温漂。集成运算放大器采用直接耦合，在多级直接耦合放大电路的各级漂移中，以第一级的漂移影响最为严重。由于直接耦合，第一级的漂移被逐级传输放大，级数越多，放大倍数越高，在输出端产生的零点漂移越严重。由于零点漂移电压和有用信号电压共存于放大电路中，当输入信号较小时，两种信号很难分辨。如果漂移量大到足以和有用信号相比，放大电路就无法正常工作。因此，减小第一级的零点漂移是对于集成运算放大器的一个至关重要的问题。
图3－14 基本差分放大电路
一、基本差分放大电路
如图3－14所示是一种基本差分放大电路， VT1和VT2是两个参数完全相同的晶体管，电路的其他元件参数也完全相同，电路结构完全对称。输入信号由两管的基极输入，输出电压从两管的集电极输出，u O＝u C1－u C2。由于电路完全对称，所以两管的静态工作点也完全一样。
1.静态分析
当输入信号为零，即u I1＝u I2＝0时，由于电路完全对称，两个晶体管VT1和VT2的集电极电流相等，集电极电位也相等，这时输出电压UO＝UCQ1－UCQ2＝0，实现了零输入零输出的要求。
2.动态分析
当有信号输入时，输入的信号可分成共模信号、差模信号及不对称信号。
1）共模信号输入
如果加在VT1和VT2管的输入信号大小相等、极性相同，即u I1＝u I2＝u IC，则这种输入信号称为共模信号，如图3－15（a）所示。
在共模信号的作用下，两管集电极的电位变化是同方向的，对于完全对称的差动放大电路，输出电压始终为零，故共模电压放大倍数（用Auc表示）为0。前面讲到的温漂现象实际上就相当于在输入端加一个共模信号，所以在工程上常常用放大器对共模信号的抑制能力来表示放大器对温漂的抑制能力。
2）差模信号输入
如果将输入信号u ID加在差动放大电路的两个输入端，使VT1和VT2管的输入信号电压大小相等，极性相反，即u I1＝u ID/2、u IZ＝－u ID/2，则这种输入信号称为差模信号，如图3－15 （b）所示。
图3－15 差动放大电路的输入方式
（a）共模输入；（b）差模输入
【想一想】差动放大电路对共模信号具有抑制作用，那么对差模信号是否具有放大作用呢？
设Au1
是三极管VT1组成的单管放大器的电压放大倍数。
设Au2
，是三极管VT2组成的单管放大器的电压放大倍数。
因为电路完全对称，所以
Au1＝Au2＝Au单
差动放大电路的输出电压u O为
u O＝u O1－u O2＝Au1u I1－Au2u I2＝Au单（u I1－u I2）＝Au单u ID
所以差模电压放大倍数Aud（为输出电压u O与差模输入信号u ID之比）为
【结论】差动放大电路对差模信号具有放大作用，而且差模电压放大倍数等于一个单管放大器的电压放大倍数。
3）不对称信号输入
在实际中，差动放大电路的输入信号往往既不是共模信号，也不是差模信号，即u I1≠u I2。此时可将输入信号分解成一对共模信号和一对差模信号，它们共同作用在差动放大电路的输入端。
差模输入电压为
u ID＝u I1－u I2
共模输入电压为
u IC＝（u I1＋u I2）/2
差动放大电路的输出电压为
u O＝Audu ID＋Aucu IC
在实际工程中，要做得两个电路完全对称是不可能的。所以共模电压放大倍数不可能等于零。为了衡量一个电路放大有用的差模信号和抑制无用的共模信号的综合能力，引入了共模抑制比KCMRR，定义为
或用分贝表示，即
一个理想的差动放大电路，Auc＝0，故KCMRR为无穷大，而对于一个实际的差动放大电路，显然共模抑制比越大越好，越大说明放大器抑制温漂的能力越强。
【想一想】基本的差分放大电路是如何抑制零漂的呢？
二、差动放大电路的改进
基本差动放大器由于其电路组成具有对称性，故可以把温漂完全抑制掉。然而在实际电路中做到电路组成完全对称是不可能的，另外基本差动放大电路每个管的集电极电位的漂移并未受到抑制，如果采用单端输出，则漂移根本无法抑制。因此，常采用如图3－16所示的长尾式差动放大电路，较基本差动放大电路多加了电位器、发射极电阻和负电源。
1.长尾式差动放大电路
带公共Re的差动式放大电路称为长尾式差动放大电路。下面分析Re对共模电压放大倍数和差模电压放大倍数的影响。
图3－16 长尾式差动放大电路
（a）差动放大电路；（b）静态工作点的分析
1）静态分析
如图3－16（b）所示，由于流过Re的电流为IEQ1和IEQ2之和，又由于电路的对称性，则IEQ1＝IEQ2，流过Re的电流为2IEQ1。
①静态工作点的估算。
VEE＝UBEQ1＋IEQRe
所以
因此，两管的集电极电流均为
两管集电极对地电压为
UCQ1＝VCC－ICQ1Rc1，UCQ2＝VCC－ICQ2Rc2
可见，静态两管集电极之间的输出电压为零，即
UO＝UCQ1－UCQ2＝0
②稳定静态工作点的过程。
电路加入Re后，当温度上升时，由于ICQ1和ICQ2同时增大→IEQ增大→UEQ增大→UBEQ减→小 IBQ减小→ICQ减小，从而稳定了ICQ，这一稳定过程实质上是一个负反馈过程。Re越大，工作点越稳定，但Re过大会导致UEQ过高，使静态电流减小，加入负电源－VEE可补偿Re上的压降。
2）动态分析
①Re对差模信号的影响。
如图3－17所示，加入差模信号时由于u I1＝－u I2，则i E1＝－i E2，流过Re的电流i E＝i E1＋i E2＝0。对差模信号来讲，Re上没有信号压降，即Re对差模电压放大倍数没有影响。
差模电压放大倍数
图3－17 差分放大电路的差模信号输入
（a）差模信号输入；（b）差模信号交流通路
【结论】差分放大电路双端输出时的差模电压放大倍数等于单管的差模电压放大倍数。
输入电阻
ri＝2rbe
输出电阻
ro≈2Rc
②Re对共模信号的影响。
如图3－18所示，当电路中加入共模信号时，由于u I1＝u I2，则i E1＝i E2，流过Re的电流i E＝i E1＋i E2＝2i E1，u E＝2i E1Re，对于共模信号可以等效成每管发射极接入2Re的电阻。
图3－18 差分放大电路共模信号输入
（a）共模信号输入；（b）共模信号交流通路
共模电压放大倍数为
其中，RS为电源内阻。
【结论】Re使共模电压放大倍数减小，而且Re越大，Auc越小，KCMRR越大。
2.具有恒流源的差动放大电路
通过对带Re的差动式放大电路的分析可知，Re越大，KCMRR越大，但增大Re，相应的VEE也要增大。显然，使用过高的VEE是不合适的。此外，Re直流能耗也相应增大。所以，靠增大Re来提高共模抑制比是不现实的。
设想，在不增大VEE时，如果Re→ ，Auc→0，则KCMRR→ ，这是最理想的。为解决这个问题，用恒流源电路来代替Re，电路如图3－19（a）所示。
图3－19 具有恒流源的差动放大电路
（a）射极接恒流源共模信号输入；（b）实际电路之一
在如图3－19（b）所示电路中，在一定的条件下，VT3、R1、R2、R3就可以构成恒流源。若电阻R2中的电流I2远远大于VT3管的基极电流IB3，则I1≈I2，R2上的电压
VT3管的集电极电流为
【想一想】典型差分放大电路是如何抑制零漂的？
三、差动式放大电路的输入、输出方式
由于差动式放大电路有两个输入端、两个输出端，所以信号的输入和输出有4种方式，这4种方式分别是双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。根据不同需要可选择不同的输入、输出方式。
1.双端输入双端输出
电路如图3－20所示，其中，差模电压放大倍数为
其中
R′L＝Rc//RL( /2)
输入电阻为
ri＝2（RS＋rbe）
输出电阻为
ro＝2Rc
此电路适用于输入、输出不需要接地，对称输入、对称输出的场合。
图3－20 双端输入双端输出电路
2.单端输入双端输出
如图3－21所示，信号从一只三极管（指VT1）的基极与地之间输入，另一只三极管（指VT2）的基极接地，表面上似乎两管不是工作在差动状态，但是若将发射极公共电阻Re换成恒流源，那么，i C1的任何增加将等于i C2的减少，也就是说，输出端电压的变化情况将和差动输入（即双端输入）时一样。此时，VT1、VT2管的发射极电位u E将随着输入电压u I而变化，变化量为u I/2，于是，VT1管的u BE＝u I－u I/2＝u I/2，VT2管的u BE＝0－u I/2＝－u I/2。这样来看，单端输入的实质还是双端输入，因此可以将其归结为双端输入的问题。所以，Aud、ri、ro的估算与双端输入双端输出的情况相同。此电路适用于单端输入转换成双端输出的场合。
图3－21 单端输入双端输出电路
3.单端输入单端输出
如图3－22所示为单端输入单端输出的接法。信号只从一只三极管的基极与地之间接入，输出信号只从一只三极管的集电极与地之间输出，输出电压只有双端输出的一半，电压放大倍数Aud也只有双端输出时的一半。即
其中
R′L＝Rc//（RL/2）
输入电阻为
ri＝2rbe
输出电阻为
ro≈Rc
图3－22 单端输入单端输出电路
4.双端输入单端输出
如图3－23所示电路，其输入方式和双端输入相同，输出方式和单端输出相同，Aud、ri、ro的计算和单端输入单端输出相同。此电路适用于双端输入转换成单端输出的场合。
图3－23 双端输入单端输出电路
从几种电路的接法来看，只有输出方式对差模放大倍数和输入、输出电阻有影响，不论哪一种输入方式，只要是双端输出，其差模放大倍数就等于单管放大倍数，单端输出差模电压放大倍数为双端输出的一半。
实训
音频功率放大器电路的仿真
1.实训目的
（1）了解音频功率放大器电路的结构和工作原理；
（2）掌握利用Multisim仿真软件对低频功率放大器进行电路仿真的步骤；
（3）通过仿真测试，掌握音频功率放大部分电路参数，学会OTL功率放大器的调整方法；
（4）掌握借助Multisim仿真软件进行电路设计和元器件选取的方法。
2.实训步骤
（1）在Multisim软件环境中绘制出OTL音频功率放大电路，如图3－24所示，注意元器件标号和各个元器件参数的设置。
（2）双击如图3－24中的示波器XSC2图标，按图3－25进行参数设置；
图3－24 音频功率放大器仿真电路
（3）打开仿真开关，就可以观察如图3－25和图3－26所示的各种待测波形，并记录数据。
图3－25 功放输入和前置放大输出波形
图3－26 功放输出波形
3.说明
（1）Q4、C1、C2、C5、R9、R1、R2、R11共同组成共发射极组态的电压放大器，其中C1是输入耦合电容，R1、R9是基极偏置电阻，R11是发射极电阻，R2是集电极负载电阻，C5是发射极旁路电容。Q1、Q2、Q3、Q5共同组成OTL互补对称功率放大电路，使输入信号在前置电压放大的基础上实现功率放大。
（2）静态条件下调节R9，可以使电容C4左端电压为直流电源电压的一半。
4.实训要求
（1）按照以上步骤绘制电路图，并正确设置元器件和仪器仪表的参数。
（2）仿真出正确的波形，并了解波形的含义。
（3）在熟悉电路原理的基础上，改变部分元器件的参数值，并自拟表格，将结果填入其中，比较仿真结果的异同。
（4）保存仿真结果，并完成实训报告。
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