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差分式放大电路动态分析方法

2020-06-22 17:32模拟电路 人已围观

简介差分式放大电路是构成直接耦合放大电路的基本单元电路。目前很多教材对差分式放大电路分析得不够全面,本文以双端输入双端输出的差分放大电路的动态分析为例,分析方法详细、...

  差分式放大电路是构成直接耦合放大电路的基本单元电路。目前很多教材对差分式放大电路分析得不够全面,本文以双端输入双端输出的差分放大电路的动态分析为例,分析方法详细、全面,便于老师教学和学生学习。
  
  双端输入双端输出的长尾式差分放大电路如图1 所示。在对差分放大电路进行动态分析时,需要把输入信号ui1和ui2分解成差模输入信号和共模输入信号。 差模输入信号指的是两个输入信号的差值,即uid=ui1-ui2;共模输入信号指的是两个输入信号的算术平均值:uic=(ui1+ui2)/2,当两个输入信号与之间的关系不同时,负载上所获得的输出电压也不一样。下面分以下三种情况进行讨论。
  图1 长尾式差分放大电路
  图1 长尾式差分放大电路
  

  一、差模信号输入(ui1= -ui2的情况)

  
  当ui1与ui2为一对大小相等,极性相反的输入信号 时,即ui1=-ui2,则uid=ui1-ui2=2ui1=-2ui2uic=(ui1+ui2)/2=0, 此时电路中只有差模信号输入而没有共模信号输入。 图1电路差模信号输入时的交流通路如图2所示。如图 2所示,设ui1为正电压时,则ui2为大小相等的负电压, 则电流的大小和方向如图中所示。当差模信号输入 时,可以得出以下重要结论:(1)流过Re上的交流电流i Re=0;(2)ue=0,即发射极在差模信号输入时,相当于交 流接地;(3)uo1=-uo2,所以uod=uo1-uo2=2uo1≠0,且RL/2处 为交流零电位;
  图2 差模信号输入时的交流通路
  图2 差模信号输入时的交流通路
  
  (一) 差模电压放大倍数Aud
  
  Aud表示电路中只有差模信号 输入时,负载上得 到的输出电压与 两个输入信号之 差的比值,它表示了差分放大电路对两个输入信号之差的放大能力。
  
  公式1
  
  从上式得知差分放大电路是以牺牲一只管子的放大倍数为代价,来换取低温漂的效果。
  
  (二)差模输入电阻Rid,根据输入电阻的定义,求差模输入电阻的电路如图3所示。
  
  公式2
  图3 差模输入电阻Rid求解的 等效电路
  图3 差模输入电阻Rid求解的 等效电路
  
  (三) 输出电阻RO,用“加压求流”的方法求解RO,电路如 图4所示。因 为ib1(Rb+rbe) =0,则ib1=0,则ic1=βib1=0, 同理i b2=0,i c2 =0
  
  公式3
  图4 求输出电阻RO的等效电路
  图4 求输出电阻RO的等效电路
  
  二、共模信号输入(ui1=ui2情况)
  
  当ui1完全等于ui2时,则uic=(ui1+ui2)/2=ui1=ui2uid=ui1-ui2=0,此时电路中只有共模信号输入而没有差模信号输 入。图1电路共模信号输入时的交流通路如图5所示。
  图5 共模信号输入时的交流通路
  图5 共模信号输入时的交流通路
  
  由于ui1=ui2,电路参数理想对称,电流的大小和方 向如图中所示。共模信号输入时可以得出以下结论: (1)发射极不再交流接地,ue=2ReeI;(2)uo1=uo2,所以uoc=uo1-uo2=0,负载上没有信号输出;共模电压放大倍数 Auc表示共模信号输入时,负载上得到的输出电压与共 模信号uic的比值。
  
  公式4
  
  从上式得知,差分放大电路对共模信号不能进行放大,负载上得到的输出电压Uoc为uoc=AucUic=Aucui1=AucUi2=0差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用,双 端输出的差分放大电路在理想情况下能完全抑制温漂。
  
  三、ui1与ui2既不是一对差模信号也不是一对共模信号时的输入情况
  
  当ui1与ui2既不是一对差模信号也不是一对共模信号时,可以通过数学计算的方法用一对差模信号和 一对共模信号叠加来 表示两个输入信号电 压。因为uid=ui1-ui2,uic=(ui1+ui2)/2,则ui1=uic+uid/2,ui2=uic-uid/2从上式可以得出:输入信号ui1可以用 图6电路中的两个输入信号uic和uid/2来等效;输入信号 ui2可以用图6中的两个输入信号uic和-uid/2来等效。ui1 与ui2既不是一对差模信号也不是一对共模信号时等 效的交流通路如图6所示。 从图6中可得出电路中同时输入了一对差模信号 和一对共模信号,根据信号叠加原理,可得负载RL上得到的输出电压u0为
  
  公式5
图6 ui1与u i2既不是一 对差模信号也不是一对共模 信号时等效的交流通路
  图6 ui1与u i2既不是一对差模信号也不是一对共模 信号时等效的交流通路
 
  从上式中可知:双端输出的电压信号uo中只包含 了差模信号,不包含共模信号,即理想的双端输出的 差分放大电路可以完全抑制温漂。
  
  四、结论
  
  本文主要对双端输入双端输出的长尾式差动式 放大电路的动态进行了分析,按两个输入信号ui1与ui2 之间的三种不同的情况进行了讨论,思路清晰,易学 易懂,这种分析方法同样适合其他三种连接方式的差 动式放大电路的动态分析。

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