晶體管差分放大電路設(shè)計(jì)

差動(dòng)放大電路又叫差分放大電路，它除了能放大交流信號(hào)，也能放大直流信號(hào)，還能有效地減小由于電源波動(dòng)和晶體管隨溫度變化而引起的零點(diǎn)漂移(溫度漂移)，因而獲得廣泛的應(yīng)用。差分放大電路是架在晶體管與芯片之間的“橋梁”，比如在運(yùn)算放大器的初級(jí)(輸入端)，一般來(lái)說(shuō)會(huì)有差分放大電路。

與之前學(xué)習(xí)的晶體管放大電路相比，差分放大電路形態(tài)上最大的特點(diǎn)是兩個(gè)輸入，兩個(gè)輸出。所謂差分，指的是電路放大的是兩個(gè)輸入的電壓差。之前的放大電路都是放大交流信號(hào)，差分放大電路可以放大電壓差，即不但可以放大交流信號(hào)，也可以放大直流信號(hào)。我們本節(jié)將觀察輸入1KHz，100毫伏峰峰值)的正弦波時(shí)，在兩個(gè)輸出端各有什么現(xiàn)象。

差分放大電路是在共射極放大電路上改進(jìn)得到的，它需要2個(gè)三極管像“鏡子”一樣工作：一樣的型號(hào)，一樣的外圍電路，一樣的工作特性(放大倍數(shù)，發(fā)射結(jié)電壓，溫度特性都相同)。

電流源與負(fù)電源

在電路圖中，三極管Q3基極與發(fā)射極的電壓VBE3是不變的，偏置電阻R5與R7的值也不變，R5與R7經(jīng)過(guò)分壓得到的基極電位VB3隨之也能確定下來(lái)，R6的阻值也確定，那么Q3的基極與發(fā)射極之間的電流IC3也是一定的——它只取決于Q3的工作狀態(tài)，與輸入的信號(hào)幾乎沒(méi)有任何關(guān)系。分析IC3的方向，是“從上到下”，電流流入Q3的集電極，所以我們也稱Q3將吸取電流，且電流大小不變，所以，Q3是作為恒流源來(lái)工作的。

所謂恒流源，顧名思義，是電流大小保持不變，而理想的恒流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

1、輸出電壓不因負(fù)載變化而改變;

2、不因環(huán)境溫度變化而改變;

3、內(nèi)阻為無(wú)限大(以使其電流可以全部流出到外面)。

此處的Q3，作用就是保證吸取的集電極電流大小是不變的。這個(gè)結(jié)論是分析Q1與Q2工作的橋梁，非常重要。也是理解這個(gè)電路的關(guān)鍵

觀察原理圖還可以發(fā)現(xiàn)，電路中使用了-5V的電源。這是為了保證Q1與Q2的基極電壓是0V，以實(shí)現(xiàn)直流的放大。此時(shí)，輸入端也無(wú)需耦合電容了。如果不使用負(fù)電源，那么輸入端需要耦合電容，就不能放大直流;同時(shí)Q1與Q2的基極偏置電路設(shè)計(jì)也會(huì)變得非常麻煩。所以一般使用負(fù)電源來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

兩個(gè)共射放大電路

差分放大電路的工作秘密在于使用了Q3作為電流源，由于吸取的集電極電流大小是不變的，那么流過(guò)Q1與Q2的電流的和就確定了。

由于Q1與Q2的工作特性(理論上來(lái)講)完全一致，所以，在沒(méi)有任何輸入信號(hào)的時(shí)候，各自的發(fā)射極電流也相等。如果設(shè)電流源的吸收的電流是2IE的話：

如果在“輸入信號(hào)A”加正電壓，“輸入信號(hào)B”輸入0V，那么IE1將會(huì)變大，假設(shè)IE1的增加量為ΔI，那么IE2的減小量也是ΔI，電流的變化將以壓降的形式從電阻R1與R2上取出，如果電流的變化大小相同，方向相反，那么R1與R2上電壓的變化量也一定大小相同，方向相反。

對(duì)于Q1組成的放大電路(這是一個(gè)共射極放大電路)，“輸出信號(hào)A”與“輸入信號(hào)A”相比，波形被反相放大;對(duì)于Q2組成的放大電路，雖然此時(shí)“輸入信號(hào)B”沒(méi)有信號(hào)，但是“輸入信號(hào)A”帶來(lái)的電流變化將會(huì)通過(guò)恒流源影響到Q2集電極電流的變化，進(jìn)而影響“輸出信號(hào)B”的電壓，“輸出信號(hào)B”的變化情況與“輸出信號(hào)A”的變化情況正好相反，所以“輸出信號(hào)A”與“輸入信號(hào)A”相比，將會(huì)實(shí)現(xiàn)同相放大，且放大的倍數(shù)與“輸出信號(hào)A”相同。

如果我們把“輸出信號(hào)A”減去“輸出信號(hào)B”的結(jié)果作為電路的最終輸出，最終輸出的幅值是單個(gè)輸出的2倍。理論上來(lái)講，共射放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)該是RC/RE，此電路沒(méi)有RE，放大倍數(shù)應(yīng)當(dāng)是接近三極管自身放大倍數(shù)hFE，實(shí)際上由于恒流源對(duì)于發(fā)射極電流的制約，所以電路的放大倍數(shù)還受到恒流源工作狀態(tài)的影響。理論分析放大倍數(shù)比較復(fù)雜，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量放大倍數(shù)。

對(duì)信號(hào)的差進(jìn)行放大

該電路的兩路輸出，都是由于集電極電流(約等于發(fā)射極電流)大小變化，導(dǎo)致了R1或R2上壓降變化。由于恒流源的限制，左右兩個(gè)共射放大電路的發(fā)射極電流之和已經(jīng)確定，在兩端輸入不同的電壓時(shí)，兩路的發(fā)射極電流此消彼長(zhǎng)，最終導(dǎo)致了兩路輸出的信號(hào)振幅完全相同，相位相反。

如果兩路輸入了相同的信號(hào)，輸出會(huì)發(fā)生怎樣的變化?

假設(shè)兩路輸入的信號(hào)完全一樣，那么Q1與Q2的基極電壓VB始終是一樣的;Q1與Q2的發(fā)射極是連在一起的，所以Q1與Q2的發(fā)射結(jié)電壓始終相同。假設(shè)Q1的發(fā)射極電流IE1可以增大，那么Q2的發(fā)射極電流IE2也可以增大，但是兩個(gè)電流的和卻已經(jīng)確定了。所以，兩個(gè)發(fā)射極的電流都不會(huì)變化，由電流經(jīng)過(guò)電阻產(chǎn)生的輸出也不會(huì)變化。所以如果兩路輸入了相同的信號(hào)，輸出0V。這個(gè)工作結(jié)果，可以說(shuō)明差分放大電路會(huì)對(duì)兩個(gè)輸入之間的差進(jìn)行放大。

在之前的課程中，我們總是把發(fā)射結(jié)的壓降VBE作為一個(gè)常量，一般算做0.6V。但實(shí)際上，發(fā)射結(jié)的壓降VBE不是常量，會(huì)隨著集電極電流IC(約等于發(fā)射極電流IE)的變化而變化。

Q1與Q2的發(fā)射極是連在一起的。如果Q1基極加正電壓，Q2基極保持0V，那么實(shí)際上Q1的VBE將會(huì)大于Q2的VBE。我們已經(jīng)知道了，假設(shè)IE1的增加量為ΔI，那么IE2的減小量也是ΔI，那么由于IE與VBE有對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以如果VBE1的增加量為ΔVBE，那么IE2的減小量也是ΔVBE。實(shí)際上，電路輸出的變化量，也等于ΔVBE乘上電路的增益。共射極放大電路本身就是以發(fā)射極電位為基準(zhǔn)進(jìn)行放大的。通過(guò)分析ΔVBE，也可以解釋差分放大的原理。

如果差分放大電路的兩個(gè)三極管本身的VBE不一樣，那么在輸出端會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)VBE間的電壓差乘以增益之后的電壓，這個(gè)電壓是個(gè)誤差，正常工作狀態(tài)下不希望看到，所以兩個(gè)三極管VBE的值要完全一致。

基極-發(fā)射極電壓VBE也容易受到溫度影響，三極管的常見(jiàn)的溫度系數(shù)是-2.5mV/℃，(如果電路板工作的溫度變化了100攝氏度，那么VBE可能變化了250mV，這就是之前的設(shè)計(jì)中始終為發(fā)射極電壓留有裕量的原因)因此兩個(gè)三極管的溫度特性也要完全一樣。如果三極管的溫度特性完全一樣，兩個(gè)三極管的VBE的溫度變化會(huì)相互抵消，不會(huì)在輸出中出現(xiàn)。有效的減小晶體管隨溫度變化而引起的零點(diǎn)漂移(溫度漂移)，是差分放大電路的優(yōu)點(diǎn)之一。

直流電位分析與電阻取值

取Q1與Q2集電極的電流為0.1mA，則Q3集電極的電流為0.2mA。設(shè)定VR6=2V，VR1=VR2=2.2V即可算出電路中所有的電阻的取值，與直流電位的情況。

根據(jù)共射極放大電路的知識(shí)，不難猜出其中R1與R2是輸出阻抗，R3與R4是輸入阻抗。

直流電位分析與電阻取值

以下是輸入1KHz，100mV的正弦波，使用雙通道示波器觀察兩路輸出，并且用函數(shù)功能，觀察“輸出信號(hào)A-輸出信號(hào)B”的波形。