一、教学设计

                    表1、差动放大电路性能与测试

教师姓名	李军科、崔玫、陈立文、房曙光、曹钟林、程军武、童建华、冒莉	备注
章节名称	项目三 小信号基本放大电路    任务3-1 差分放大电路
教学任务	差分放大电路的电路结构和工作原理；计算差分放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻；测试差分放大电路的静和动态性能指标。
教学目标	1、 掌握差分放大电路的电路结构和工作原理； 2、 分析计算差分放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻； 3、学会测试差分放大电路的静态和动态性能指标。
教学策略	以教师为主导，学生为主体开展教学。教师演示课程PPT,并借助于multisim11电路仿真软件对小信号差分放大电路多媒体演示。
教学过程	教师活动： 实例导入—提出问题（单管放大电路缺点与优点）—multisim11平台小信号差分放大电路演示 ——学生仿真过程指导——板书讲解
	学生活动： 在教师新课导入基础上回答问题—课堂听讲——完成小信号差分放大电路multisim11平台电路仿真。
	资源准备：multisim11软件、PC电脑、投影、PPT课件、USB接口数字示波器、万用表、面包电路板
教学评价	1、知识与技能：差分放大电路各元件功能、放大倍数、输入电阻、输出电阻等测量与简单计算；
	2、过程与方法：课堂理论讲解与实际操作、简单计算的连贯性
	3、教学态度评价：
	说明：教学评价安排在课堂快要结束时候，以学生评价为主，讲师评价为辅
课程总结	差分放大器是精密放大器一种。集成差分运算放大器在实际中应用十分普遍，考虑到学生实际情况，课程讲解中，对教学内容适当降低深度。

二、教学内容 

2.1基本差动放大电路

差动放大电路也称差分放大电路，是一种对零点漂移具有很强抑制能力的基本放大电路。差动放大原理电路如图Z0501所示。它由两个对称的共射极基本放大电路组成：其中，T1、T2是两个特性完全相同的晶体管、Rb1=Rb2、Rc1 = Rc2、Rs1＝Rs2。这种理想的对称结构在当前集成电路工艺方面是基本上可以接近的。图示电路中，信号从两管的基极输入，从两管的集电极输出，这种连接方式称为双端输入-双端输出方式。

由图可见，当输入端短路时，输出电压为：

UO = UC1 - UC2 = （Ec - IC1RC1）- （Ec - IC2RC2）= （IC2 - IC1）RC

由于电路对称，IC1 = IC2，则输出电压等于零。

当温度变化时，因两管电流变化规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也就是说，依靠电路的完全对称性，使两管的零点漂移在输出端相抵消，因此，零点漂移被抑制。

图所示电路仅是差动放大电路的雏型，它还存在许多问题，不能作为实用电路。其原因是：（1）要做到电路完全对称，是十分困难的，甚至是不可能的；（2）若需要从某个管子集电极输出（单端输出）时，则输出零点漂移仍然很大；（3）单端输出漂移大，会影响下一级直流工作状态。

基本差动放大电路如图Z0502所示。它是在图Z0501电路的基础之上增加了一个公共的发射极电阻Re。图中Rw为调零电位器，调整它可以使IC1 = IC2 。辅助电源 - Ec 的作用是补偿Re上的直流压降，以保证管子有合适的静态工作点。此外，采用双电源供电，可以使UB1＝UB2≈0，从而使电路既能适应正极性输入信号，也能适应负极性输入信号，扩大了范围。                  

图Z0502电路保持了图Z0501电路高度对称的特点，这是抑制零点漂移的条件之一，重要的是电阻Re对零点漂移有很强的负反馈作用。

由于电路对称，所以，IC1 = IC2，IE1 = IE2，流过Re 的电流为IE＝2 IE1 。当电源电压波动或环境温度发生变化时，管子的电流也随之变化，产生温度漂移，此时将发生如下过程：

可见，由于Re的负反馈作用，即使温度变化时，管子集电极电流也能保持稳定，从而使每个管于输出端的漂移都得到了抑制。显然，Re越大，负反馈作用越强，抑制零点漂移的能力也就越强，无论是双端输出还是单端输出零点漂移都能得到抑制。

 

  2.2 基本放大电路静态分析    

   Ui = 0时，图Z0502电路的等效直流通路如图Z0503（a）所示。由于电路结构对称，计算静态工作点时，可从半边等效电路着手，图Z0503（a）的半边电路等效过程如图Z0503（b）。这里画等效电路的关键是对Re 的处理。因为Re 可等效为两个阻值为2Re 的电阻的并联，以及等电位点（A、B）之间无电流，从而又可将并联的2Re 分开，这样便将电路分成了两半，如图Z0503（c）所示。这里假定了Rw滑动头处于中间位置。 计算静态工作点可从基极回路开始，由图Z0503（c）可得：

       

因IE1=IE2= IE/2，由GS0502式可见，Ie≈ Ee／Re，这表明差动放大电路中Re有恒流作用，当电路中Re 、EE确定后，工作点就确定了，射极总电流 IE也就确定了。当温度变化时，IE基本上是稳定的，且Re 与EE越大，对应同样的温漂（ △UBE），IE变化越小，电路工作点越稳定。

2.3 基本放大电路动态分析

若输入到图Z0502电路中，差分对管（T1、T2）基极的信号电压Ui1、Ui2大小相等、极性相反，这种输入方式称为差模输入方式，所加信号称为差模信号，常用Uid表示，Uid = Ui1 - Ui2，差动放大电路对差模信号的放大能力用差模放大倍数Aid表示。

设单管放大电路的放大倍数为Au1、Au2，由于电路对称，Au1=Au2 ，则差动放大电路的输出电压为：

Uod = Uo1 - Uo2 = Au1Ui1 - Au2Ui2 = Au1（Ui1 - Ui2）   

即输出电压与输入电压之差成比例，故称差分放大电路。在差模输入时，Ui1 - Ui2 = Uid

计算差模放大倍数，可采用第二单元中介绍的微变等效电路分析法。先画出图Z0502电路的交流等效电路，如图Z0504所示。这里要注意两点，一是由于Ui1 = - Ui2 = Uid ／2，则 Ie1 = Ie2，流过Re的差模信号电流为零，因此，Re对差模信号相当于短路，这与单管放大电路中的Re不同；二是由于Ui1 = - Ui2 ，且电路对称，UC1升高多少，UC2就下降多少，RL的中点电位保持不变，对应于交流地电位为零。因此，半边交流等效电路如图Z0504（b）所示。将图中三极管用简化h参数等效电路代替，便可求得单管放大电路的放大倍数，即：

2.4 差模放大倍数共模抑制

若图Z0502电路输入端输入一对相位相同，大小相等的信号，这种输入方式称为共模输入方式。所加信号称为共模信号，用Uic表示，Uic = Ui1 = Ui2。温度变化，电源电压波动等引起的零点漂移折合到放大电路输入端的漂移电压，相当于输入端加了"共模信号"，外界电磁干扰对放大电路的影响也相当于输入端加了"共模信号"。可见，共模信号对放大电路是一种干扰信号,因此，放大电路对共模信号不仅不应放大，反而应当有较强的抑制能力。图Z0502电路，双端输出时，若电路完全对称，则 UOC = UO1 - UO2 = 0，共模信号被完全抑制掉。若电路对称性稍差，则由于共模输入时，引起两管电流变化是同相的，通过Re的电流约为单管射极电流的两倍，Re对共模信号将产生很强的负反馈作用，使共模信号仍能得到较强的抑制。

2.5 差模放大电路输入电阻与输出电阻

差动放大电路的差模输入电阻是指差模输入时，从两输入端看进去的等效电阻，由微变等效电路即可求得：

电路的输出电阻是从放大器输出端看进去的电阻。当从双端输出时，其差模输出电阻为：ro（双）＝2Rc

三、教学课件 

    

    

四、教学案例—仪表放大器电路分析

问题提出：

1、在工程应用中，对于传感器小信号通常需要仪表放大器实现信号调理。仪表放大器与运算放大器有何区别呢？

仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109 Ω。其输入偏置电流也应很低，典型值为 1 nA至 50 nA。与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧（mΩ）。运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定。与放大器不同的是，仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络，它与其信号输入端隔离。对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离。

专用的仪表放大器价格通常比较贵，于是我们就想能否用普通的运放组成仪表放大器？答案是肯定的。使用三个普通运放就可以组成一个仪用放大器。电路如下图所示：

                           图1、标准的三运放仪表放大器电路

2、仪表放大器电路分析

                            图2、  单运放仪表放大器电路

如果R1 ＝ R3，R2 ＝ R4，则VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1)，这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于 100 kΩ，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200 kΩ。因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。（这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。另外，这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。例如，当增益等于 1 时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电阻值有 0.1% 失配，其CMR便下降到 66 dB（2000:1）。同样，如果源阻抗有 100 Ω的不平衡将使CMR下降 6 dB。   为解决上述问题，我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。如下图所示：

                                                 图3、 带输入缓冲的减法器电路

  

以上前置的两个运放作为电压跟随器使用，我们现在改为同相放大器，电路如下所示：

                                                 图4、 带增益缓冲的减法器电路

  

输出电压表达式如上图所示。上图所示的电路增加增益（A1 和 A2）时，它对差分信号增加相同的增益，也对共模信号增加相同的增益。也就是说，上述电路相对于原电路共模抑制比并没有增加。对比以上电路可以发现。

这种标准的三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路巧妙的改进。像前面的电路一样，上图中A1 和A2 运算放大器缓冲输入电压。然而，在这种结构中，单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间，取代了带缓冲减法器电路的R6和R7。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后（在A1 和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。

 这种连接有另外一个优点：一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R5 ＝ R6，R1＝ R3和R2 ＝ R4，则VOUT = (VIN2－VIN1)(1＋2R5/RG)(R2/R1)由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2 RF/RG）〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1＋（2 RF/RG）〕倍！
在理论上表明，用户可以得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率〔增益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。
          最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。上述这些特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释。  

3、教学反思

采用三极管作为分立元件设计差分电路，可以抑制共模干扰，放大差模有用信号。但是在工程设计中，差分电路基本作为仪表放大器一部分出现在集成运算放大器中，通过仪表放大器教学案例，可以让学生直接或者间接的使用差分放大的原理来分析传感器信号的放大过程，真正学以致用。这是差分放大电路课程学习的关键所在。