廣東理工學(xué)院 宮占霞

模擬電子技術(shù)是電氣自動(dòng)化、自動(dòng)化、通信、電子等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是在教學(xué)過程中學(xué)生反映較為難學(xué)的一門課，差分放大電路就是其中的難理解的知識(shí)點(diǎn)之一，差分放大電路的差模輸入信號(hào)與共模輸入信號(hào)的作用結(jié)果易混淆。本文將以差分放大電路為例，采取一些易懂的辦法梳理此知識(shí)點(diǎn)。

1 引言

差分放大電路具有電路對(duì)稱性的特點(diǎn)，此特點(diǎn)可以起到穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用，被廣泛用于直接耦合電路和測量電路的輸入級(jí)。但是差分放大電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分析繁瑣，特別是其對(duì)差模輸入和共模輸入信號(hào)有不同的分析方法，難以理解，易于混淆，是模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

差分放大電路有差模和共模兩種基本輸入信號(hào)，由于其電路的對(duì)稱性，當(dāng)兩輸入端所接信號(hào)大小相等、極性相反時(shí)，稱為差模輸入信號(hào)；當(dāng)兩輸入端所接信號(hào)大小相等、極性相同時(shí)，稱為共模信號(hào)（康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,2006:256-310）。

通常我們將要放大的信號(hào)作為差模信號(hào)進(jìn)行輸入，而將由溫度等環(huán)境因素對(duì)電路產(chǎn)生的影響作為共模信號(hào)進(jìn)行輸入，因此我們最終的目的，是要放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。在后面的介紹中會(huì)介紹差分放大電路如何實(shí)現(xiàn)此功能。

差分放大電路按輸入輸出方式分：雙端輸入雙端輸出（簡稱雙入雙出）、雙端輸入單端輸出（簡稱雙入單出）、單端輸入雙端輸出（簡稱單入雙出）、單端輸入單端輸出（簡稱單入單出）（童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,2010:154-172）。但對(duì)于共模信號(hào)而言，根據(jù)對(duì)共模信號(hào)的定義，共模輸入的差分放大電路只有雙入雙出和雙入單出兩種基本電路。下面分別對(duì)差分放大電路的四種基本電路的差模增益和共模增益進(jìn)行介紹。

圖1 雙入雙出

圖2 雙入雙出交流通路

2 差模增益

2.1 雙入雙出

如圖1所示雙入雙出電路，當(dāng)輸入端時(shí)，由于電路的對(duì)稱性，兩管的發(fā)射極電流大小相等，方向相反，因此流過電流源的電流為零，即，等效電路如圖2所示。圖2電路的小信號(hào)模型如圖3所示。

圖3 單邊小信號(hào)等效電路

雙入雙出的差模電壓增益為：

由上式可知，雙入雙出的差模電壓增益為差分放大電路單邊共射電路的電壓增益。根據(jù)圖3可得：

當(dāng)在兩管集電極端加負(fù)載電阻RL時(shí)，從兩管集電極流出的電流大小相等，極性相反，即流過負(fù)載電阻兩端的電流大小相等，極性相反，因此，在負(fù)載電阻RL中間的位置點(diǎn)位為零。

可理解為，單邊共射電路所接負(fù)載電阻為RL/ 2，由基本放大電路的分析方法可得：

2.2 雙入單出

如圖2所示電路，當(dāng)只有一端vo1有輸出時(shí)，仿照上述求法，可得：

若只有一端有輸出時(shí)，仿照上述求法，可得：

2.3 單入雙出

如圖4所示為差模信號(hào)單端輸入時(shí)的差分放大電路，即：

圖4 單入雙出

圖5 單入雙出等效電路

對(duì)于圖4我們可以將vi1輸入信號(hào)分解為兩個(gè)大小相等、相位相同的輸入信號(hào)vid/ 2共同作用；vi2分解為兩個(gè)大小相等，相位相反的輸入信號(hào)vid/ 2與-vid/ 2共同作用，即變?yōu)殡p入雙出的電路分析，如圖5所示。此時(shí)的差模電壓增益與雙入雙出的差模電壓增益相同，為：

2.4 單入單出

單入單出的分析辦法同單入雙出的分析辦法，將vi1輸入信號(hào)分解為兩個(gè)大小相等，相位相同的輸入信號(hào)vid/ 2共同作用；vi2分解為兩個(gè)大小相等，相位相反的輸入信號(hào)vid/ 2與-vid/ 2共同作用，此時(shí)的差模電壓增益與雙入單出的電壓增益相同，為：

3 共模電壓增益

3.1 雙入雙出

有圖1可知，共模輸入信號(hào)的加入，使得差分放大電路的兩管發(fā)射極電流大小相等，方向相同，因此流過電流源的電流為2ie，將電流源的內(nèi)阻等效到兩管的發(fā)射極，電阻放大兩倍變?yōu)?ro。如圖6所示。

圖6 雙入雙出

圖7 單邊小信號(hào)等效電路

由于電路的對(duì)稱性，當(dāng)兩管輸入端加大小相等相位相同的信號(hào)時(shí)，在輸出端同樣得到大小相等，相位相同的信號(hào)。因此圖6的共模電壓增益為：

上式說明，差分放大電路可以抑制共模信號(hào)。

3.2 雙入單出

單邊共射放大電路的小信號(hào)模型如圖7所示，根據(jù)定義，可得：

由上式可知，電流源越理想，ro越大，共模電壓增益越小，差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。

4 總結(jié)

差分式放大電路通常是構(gòu)成模擬集成電路的基本組成單元，對(duì)直流信號(hào)與交流信號(hào)均具有放大作用；對(duì)差模信號(hào)可以進(jìn)行放大，對(duì)共模信號(hào)可以很好的抑制。本文介紹了差分放大電路的四種典型電路，并對(duì)這四種電路進(jìn)行的整合，讓學(xué)習(xí)者更容易掌握與理解。