电子设计教程21：晶体管差分放大电路

差动放大电路又叫差分放大电路，它除了能放大交流信号，也能放大直流信号，还能有效地减小由于电源波动和晶体管随温度变化而引起的零点漂移（温度漂移），因而获得广泛的应用。差分放大电路是架在晶体管与芯片之间的“桥梁”，比如在运算放大器的初级（输入端），一般来说会有差分放大电路。
与之前学习的晶体管放大电路相比，差分放大电路形态上最大的特点是两个输入，两个输出。所谓差分，指的是电路放大的是两个输入的电压差。之前的放大电路都是放大交流信号，差分放大电路可以放大电压差，即不但可以放大交流信号，也可以放大直流信号。我们本节将观察输入1KHz，100毫伏峰峰值）的正弦波时，在两个输出端各有什么现象。

差分放大电路是在共射极放大电路上改进得到的，它需要2个三极管像“镜子”一样工作：一样的型号，一样的外围电路，一样的工作特性（放大倍数，发射结电压，温度特性都相同）。

电流源与负电源

在电路图中，三极管Q3基极与发射极的电压V_BE3是不变的，偏置电阻R5与R7的值也不变，R5与R7经过分压得到的基极电位V_B3随之也能确定下来，R6的阻值也确定，那么Q3的基极与发射极之间的电流I_C3也是一定的——它只取决于Q3的工作状态，与输入的信号几乎没有任何关系。分析I_C3的方向，是“从上到下”，电流流入Q3的集电极，所以我们也称Q3将吸取电流，且电流大小不变，所以，Q3是作为恒流源来工作的。
所谓恒流源，顾名思义，是电流大小保持不变，而理想的恒流源应该具有以下特点：
1、输出电压不因负载变化而改变；
2、不因环境温度变化而改变；
3、内阻为无限大（以使其电流可以全部流出到外面）。
此处的Q3，作用就是保证吸取的集电极电流大小是不变的。这个结论是分析Q1与Q2工作的桥梁，非常重要。也是理解这个电路的关键
观察原理图还可以发现，电路中使用了-5V的电源。这是为了保证Q1与Q2的基极电压是0V，以实现直流的放大。此时，输入端也无需耦合电容了。如果不使用负电源，那么输入端需要耦合电容，就不能放大直流；同时Q1与Q2的基极偏置电路设计也会变得非常麻烦。所以一般使用负电源来进行设计。

两个共射放大电路

差分放大电路的工作秘密在于使用了Q3作为电流源，由于吸取的集电极电流大小是不变的，那么流过Q1与Q2的电流的和就确定了。
由于Q1与Q2的工作特性（理论上来讲）完全一致，所以，在没有任何输入信号的时候，各自的发射极电流也相等。如果设电流源的吸收的电流是2I_E的话：

如果在“输入信号A”加正电压，“输入信号B”输入0V，那么I_E1将会变大，假设I_E1的增加量为ΔI，那么I_E2的减小量也是ΔI，电流的变化将以压降的形式从电阻R1与R2上取出，如果电流的变化大小相同，方向相反，那么R1与R2上电压的变化量也一定大小相同，方向相反。
对于Q1组成的放大电路（这是一个共射极放大电路），“输出信号A”与“输入信号A”相比，波形被反相放大；对于Q2组成的放大电路，虽然此时“输入信号B”没有信号，但是“输入信号A”带来的电流变化将会通过恒流源影响到Q2集电极电流的变化，进而影响“输出信号B”的电压，“输出信号B”的变化情况与“输出信号A”的变化情况正好相反，所以“输出信号A”与“输入信号A”相比，将会实现同相放大，且放大的倍数与“输出信号A”相同。
如果我们把“输出信号A”减去“输出信号B”的结果作为电路的最终输出，最终输出的幅值是单个输出的2倍。理论上来讲，共射放大电路的放大倍数应该是R_C/R_E，此电路没有R_E，放大倍数应当是接近三极管自身放大倍数h_FE，实际上由于恒流源对于发射极电流的制约，所以电路的放大倍数还受到恒流源工作状态的影响。理论分析放大倍数比较复杂，可以通过实验测量放大倍数。

对信号的差进行放大

该电路的两路输出，都是由于集电极电流（约等于发射极电流）大小变化，导致了R1或R2上压降变化。由于恒流源的限制，左右两个共射放大电路的发射极电流之和已经确定，在两端输入不同的电压时，两路的发射极电流此消彼长，最终导致了两路输出的信号振幅完全相同，相位相反。
如果两路输入了相同的信号，输出会发生怎样的变化？
假设两路输入的信号完全一样，那么Q1与Q2的基极电压V_B始终是一样的；Q1与Q2的发射极是连在一起的，所以Q1与Q2的发射结电压始终相同。假设Q1的发射极电流I_E1可以增大，那么Q2的发射极电流I_E2也可以增大，但是两个电流的和却已经确定了。所以，两个发射极的电流都不会变化，由电流经过电阻产生的输出也不会变化。所以如果两路输入了相同的信号，输出0V。这个工作结果，可以说明差分放大电路会对两个输入之间的差进行放大。
在之前的课程中，我们总是把发射结的压降V_BE作为一个常量，一般算做0.6V。但实际上，发射结的压降V_BE不是常量，会随着集电极电流I_C（约等于发射极电流I_E）的变化而变化。

Q1与Q2的发射极是连在一起的。如果Q1基极加正电压，Q2基极保持0V，那么实际上Q1的V_BE将会大于Q2的V_BE。我们已经知道了，假设I_E1的增加量为ΔI，那么I_E2的减小量也是ΔI，那么由于I_E与V_BE有对应关系，所以如果V_BE1的增加量为ΔV_BE，那么I_E2的减小量也是ΔV_BE。实际上，电路输出的变化量，也等于ΔV_BE乘上电路的增益。共射极放大电路本身就是以发射极电位为基准进行放大的。通过分析ΔV_BE，也可以解释差分放大的原理。
如果差分放大电路的两个三极管本身的V_BE不一样，那么在输出端会产生两个V_BE间的电压差乘以增益之后的电压，这个电压是个误差，正常工作状态下不希望看到，所以两个三极管V_BE的值要完全一致。
基极-发射极电压V_BE也容易受到温度影响，三极管的常见的温度系数是-2.5mV/℃，（如果电路板工作的温度变化了100摄氏度，那么V_BE可能变化了250mV，这就是之前的设计中始终为发射极电压留有裕量的原因）因此两个三极管的温度特性也要完全一样。如果三极管的温度特性完全一样，两个三极管的V_BE的温度变化会相互抵消，不会在输出中出现。有效的减小晶体管随温度变化而引起的零点漂移（温度漂移），是差分放大电路的优点之一。

直流电位分析与电阻取值

取Q1与Q2集电极的电流为0.1mA，则Q3集电极的电流为0.2mA。设定V_R6=2V，V_R1=V_R2=2.2V即可算出电路中所有的电阻的取值，与直流电位的情况。

根据共射极放大电路的知识，不难猜出其中R1与R2是输出阻抗，R3与R4是输入阻抗。

直流电位分析与电阻取值

以下是输入1KHz，100mV的正弦波，使用双通道示波器观察两路输出，并且用函数功能，观察“输出信号A-输出信号B”的波形。