摘 要：介绍了差动放大电路演变历程，理论上分析了典型差动放大的工作原理以及特性参数的计算公式；应用虚拟实现技术--Proteus软件进行了静态特性、差模输入信号、共模输入信号的实验研究，并对实验现象进行了分析。
0 引言
在工程实践中，很多物理量，如温度、流量、压力、液面等均为模拟量，它们通过各种不同的传感器转化成的电量也均为变换缓慢的非周期信号，而其比较微弱，这类信号只有通过放大才能驱动负载；由于这类信号一般变换缓慢，所以采用直接耦合放大电路将其放大最为方便。
差动放大电路是一种基本的放大电路，多级直接耦合放大电路的输入级几乎毫无例外地采用这一基本单元电路--差动放大电路，具有高度对称性，在放大差模信号时，能较好地抑制共模信号，有较高的共模抑制比，解决了直接耦合放大器中既要放大有用信号，又要抑制温度等引起的零点漂移的问题。
1 差动放大电路演变历程
差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的前级基本单元电路，它是由典型的静态工作点(Q点)稳定电路演变而来的。经历了：利用射极电阻构成电压负反馈回路稳定静态工作点，如图1所示单管射极偏置电路；由两个型号一样、参数一致的差放对管构造的对称电路，所谓对称是指在对称位置的电阻值绝对相等，两只管子在任何温度下输入特性曲线与输出特性曲线都完全重合，如图2所示基本差动放大电路；以及长尾式差动放大电路图，如图3所示典型差动放大电路。
2 差动放大电路特性分析
2.1 基本差动放大电路特性分析
如图2所示，基本差动放大电路，电路两侧组件对称，管子型号、参数相同。输入信号由两个管子的基极加入，输出信号取两个管子的集电极电压之差，即U0=UC1－UC2，此时电路对零点漂移有良好的抑制能力。
由于温度、电源波动或者器件老化都将会引起两个管子集电极电流的变换。为便于讨论，我们假定温度升高：
。由于电路参数对称，T1管和T2管所产生的电流变化量相等，即
；因此集电极电位的变化量也相等，即 
。因为输出电压是两个管子的集电极电压之差，所以
，说明差动放大电路对共模信号具有很强的抑制作用。
当输入差模信号时，即输入端口的"+"极接信号源的"+"极、"－"极接信号源的"－"极。通过电阻R7、R8的分压作用，在输入端"+"极与"－"极分别加入了大小相等相位相反的输入信号(称为差模信号)，又由于电路参数对称，两个管子所产生的电流变换大小相等而变换方向相反，；因此集电极电位的变换也是大小相等方向相反，即
，这样得到的输出信号
，从而实现了电压放大。
当输入为共模信号时，其工作原理同于由于温度升高时而引起的两个管子一系列的变换。即因输出为两个管子的集电极电压之差，故抵消掉了共模信号引起的输出变换，很好地抑制了共模信号。
2.2 典型差动放大电路特性分析
由上图可见，典型差动放大电路做了以下几点改进：
(1)在两个差放对管的发射极之间接入一个可调点器，这个电位器阻值一般在几十欧姆到百欧姆之间。由于在工程实践中难以做到电路的完全对称，为了弥补实际电路的这个缺陷加入这个电位器，通过调节此电位器可以使两个管子的集电极电位相等。取两个管子的集电极电位之差为输出，在集电极电位相等时，两个管子集电极间的输出为零，所以这个电位器也成为调零电位器。
(2)加入了电阻R17为两个管子共同的射极偏置电阻。
在差模输入时假定上正下负，那么T1管基极电流的增量正的增量▲IB1 ，▲IC1为正的增量，流过R17的▲IE1 正的增量；而T2管 负的增量▲IB2， ▲IC2为负的增量，流过R17的▲IE2 负的增量，由于电路的对称性，所以▲IB1=-IB2，▲IC1=- ▲IC2，▲IE1 =-▲IE2 ,。即流过R17的电流没有变换，R17对差模输入信号没有作用。在共模输入时，由于电路的对称性，流过R17的电流为单管所产生的增量的两倍，大大增强了对共模信号的抑制能力，进而很好地稳定了静态工作点。
(3)在电阻R17的一端接入了负电源，同时去掉了正电源与两个管子之间的电阻。为了提高差动放大电路的共模抑制能力，消除单管的温漂，接入了电阻R17，该电阻阻值一般都比较大，在直流量工作时将会在该电阻上产生客观的压降。如果只采用一个正电源供电，将会使管子的晶体工作点较低、动态范围较小。为此在R17的一端接入了负电源，为两个管子提供合适的偏置电压条件。
2.3 典型差动放大电路特性参数指标分析
为简化讨论，我们这里仅探讨典型差动放大电路的参数指标，如图3所示。在计算输出电压UO时，可由图4电路等效。
其中UO,-为不接负载时，差动放大电路的输出电压，RO为放大电路输出阻抗，计算公式如下：
式中，AT1、AT2、ViT1、VIT2分别为管子T1、T2的电压放大倍数和输入信号电压。
其中， 分别为T1、T2的电流放大倍数和输入阻抗。理想情况下， 
由晶体管电流公式得：
式中UT=26mV。
由以上公式可推导出差模电压放大倍数为：
其中，RWT1为调零电位置折合到T1管射极的电阻值。
由于电路的对称性，所以共模电压放大倍数为零；在电路理想对称情况下共模抑制比：
3 虚拟实现技术在差动放大电路特性分析实验中的应用
虚拟实现技术作为EDA软件一大功能在电子实验中得到广泛的应用。如文献[2]应用Protel 99SE进行差动放大电路的性能分析；文献[3]应用multisim的虚拟仿真功能实现上述电路的性能分析；文献[4]应用ORCAD技术实现了该项性能分析。Proteus是一款将概念变为现实的虚拟实现技术，是我校实验教学改革的一项举措。我校投资近20万购买了这款软件。结合作者的教学实践,运用Proteus软件对差动放大电路进行了性能分析虚拟实验静态分析。
(1)调节调零电位器RV1。在测量差动放大电路各项特性参数之前，需调节电位器RV1，使电路尽可能对称。
将输入端对地短接，将正电源的正极接在R10、R11的共同端，负极接地；负电源的负极与R17相接、正极接地。将电压探针放置在各个待测点，结果如图5所示。从上图可见，静态时两个管子的集电极电压均为6.39965v。
(2)静态工作点测量。差动放大电路两个对管的各电极电位如图6所示。本项性能参数的测试采用了虚拟电压表的实时测量功能。从测试结果可知：T1的发射极电压UBE=－0.0440761－(－0.682922)≈0.64V，集电极电压UCE=6.39965－(－0.682922)≈7.08V，集电极与基极电压UEB=6.39965－(－0.0440761)≈*4V，由此知管子发射极正向偏置、集电极反相偏置、集电极与基极反相偏置，故管子工作在线性放大区(也称为衡流区)；同理T2也工作在线性放大区。
3.1 动态分析
(1)差模输入信号。将频率为1kHZ、峰峰值为50mV的正弦波信号接入输入端。通过电阻R15、R16来实现双端差模信号输入。输出波形如图6所示。
由图6可知输出信号UO=[980－(－980)]－[830－(－830)]=3.62V，等号右边第一个中括号中的数据为T2管的集电极输出电压，另外一个中括号中的数据为T1管的集电极输出电压。故双端输入、双端输出方式下的差模电压放大倍数为：。其中负号说明了集电极输出时，输入与输出的倒相关系。
(2)共模输入信号。将输入端的正负极短接与上述信号源的正极相接，信号源的负极与参考地相接。输出波形如图7所示。为了便于测试比较，人为地将两个波形调开。从图7可知：两个管子的共模输出信号并非完全一致。
输出信号的峰峰值分别为1.12V、1.16V。这是因为分立元件特性的分散性所导致的。故双端输出方式下的共模电压放大倍数为：，其中负号的物理意义同上述。
(3)共模抑制比。由式(6)可得：。
从以上实验结果看见，典型差动放大电路对共模信号的抑制能力还是有限的。电路即使对称，由于晶体管特性的分散性，也会有微弱的共模信号输出。要想进一步提高典型差动放大电路的共模抑制能力，需提高射极偏置电阻。恒流源作为射极偏置电阻可以实现这一功能，此类电路非本文探讨范围，在此不作展开。
4 结论
虚拟实现技术已经在各个领域得到广泛的应用。应用文献，结合作者的教学实践，运用Proteus软件对差动放大电路进行了性能分析虚拟实验。因篇幅原因，仅进行了差动放大电路的晶体管工作点调零、测试以及差模、共模输入时输出波形的虚拟实验。应用Proteus软件现有资源仍可以进行电压传输特性、温度特性的分析。本实验方法对现代实验教学改革有一定的借鉴意义。
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