直接耦合与差动放大电路

一、 直接耦合
运算放大器是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路。多级直接耦合放大器的级间耦合方式是用导线直接相连，而不采用耦合电容。这样不但可以放大交流信号，而且也可以放大频率很低或缓慢变化的直流信号。
一个多级的直接耦合放大器，当输入信号为零时，其输出电压应保持恒定。但实际的直接耦合放大器，输入端短路(u_i=0) 后，输出电压会偏离原来的起始值作上下漂动。这种现象称为零点漂移（简称零漂）。
当放大电路输入信号后，这种漂移就伴随着信号共存于放大电路中，两者都在缓慢地变动着，一真一假，相互纠缠在一起，难于分辨。从而使放大电路不能正常工作了。因此，必须采取相应的抑制漂移的措施。
产生零漂最主要的原因是温度的影响。
由温度引起的零点漂移则只有采用新的放大电路来解决。这样一来，差动放大电路就应运而生了。由于差动放大电路是抑制零点漂移的最有效的电路，因此在直流放大电路和集成运放中被广泛采用。
二、 差动放大电路
差动放大电路如图所示，它是由两个晶体管组成一级放大电路。整个电路左右两边对称，即两个晶体管的特性一致，对应元件的参数完全相同。
1．工作原理
当有信号输入时，其工作原理可分下列几种情况讨论。

（1）差模输入
两个输入电压的大小相等，极性相反，即u_i1 =-u_i2，这样的一对信号称为差模信号，其输入称为差模输入。在差模信号作用下，设u_i1 增加，u_i2 减少，则电路中各处电流、电压为：VT₁管集电极电流增加，VT₂管集电极电流等量地减少，这使得VT1管集电极电位下降（即u_o1 下降），VT₂管集电极电位等量升高（即u_o2 上升），则两管集电极之间的输出电压为两管各自输出电压的两倍。这时整个电路的差模电压放大倍数为

有时负载要求一端接地，输出电压就需要从某一侧晶体管的集电极与地之间取出（称为单端输出）。这时有

无论是双端输出，还是单端输出的差动放大电路，对差模信号都有放大作用。
（2）共模输入
两个输入电压的大小相等，极性相同，即u_i1 =u_i2 ，这样的一对信号称为共模信号，其输入称为共模输入。在共模信号的作用下，两个晶体管的集电极电流变化相同，集电极电位变化也相同，因此输出电压u₀=u₀₁ -u₀₂=0 。由于有输入无输出，这表明双端输出的差动放大电路对共模信号没有放大作用，其共模电压放大倍数 。
这种电路对共模信号的不放大，就是对零点漂移的抑制。因为由温度变化等因素所造成的两边晶体管集电极的单侧漂移是相同的，因而折合到两输入端的等效漂移电压也相同，就相当于给放大电路加了一对共模信号。所以差动放大电路能抑制零点漂移。
（3）差动输入
两个输入端的电压信号既非差模，又非共模。它们的大小和相位是任意的，这种输入称为差动输入。
可以证明，这种情况下输出电压为

它表明差动放大电路只放大两任意输入信号的差值，实际就是输入信号中的差模成分。
综上所述，一个差动放大电路对有用的差模信号能放大；对共模信号不放大，能抑制。为了全面衡量差模放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入共模抑制比K_CMR 来表征，即

其值越大，说明差动放大电路放大差模信号的能力越强，而受共模干扰的影响越小。
2．几个元件的作用
（1）调零电位器R_P
由于差动放大电路不可能绝对对称，所以当输入电压为零时，输出电压不一定为零。这时可以通过调节R_P，来改变两边晶体管的工作状态，达到使输出电压为零。
（2）共模反馈电阻R_E
由于单靠电路的对称性来抑制零点漂移是有限的。再加上如果采用单端输出，这种输出方式的本身就严重地破坏了电路的对称性，漂移则根本无法抑制。为此在电路中加入了一个电阻R_E 。
R_E对差模信号的放大作用毫无影响。因为差模信号的作用是使两边晶体管中的集电极电流产生等值异向的变化，流经R_E 时，使其上的电压为零，对差模信号相当于短路，故不影响差模电压放大倍数A_d 。
反之，R_E 对共模信号有强烈的负反馈作用，因而也能进一步抑制零点漂移。因为共模信号的作用，使两边晶体管的集电极电流产生等值同向的变化，将有两倍于单管发射极电流流经 R_E产生电压降，反过来对每一边晶体管都产生强烈的负反馈作用。
（3）负电源U_EE （即E_E ）
引入负电源U_EE 来补偿R_E 上的直流压降，从而保证两管有合适的静态工作点。另外，正、负电源的配合还可使两边晶体管基极电位为零，从而扩大了输入信号的范围。