小模电的重难点——长尾式差分放大电路

吴少琴的模电课

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最近不管是小模电还是大模电，大家都在差分放大电路中焦灼着，翻看以前的推送记录，差分放大电路也是各届同学公认的难点。
* n# n* x' ?) p* a4 w) X# r5 r估计大家都是被这家伙双倍的元件吓到了，毕竟基本放大电路才基本了解，这突然镜像一个一摸一样的放大电路，并且还冒出了很多概念，的确有些吓唬人~~~???????

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其实呢，大家先不要着急去解电路，试着以电子工程师的视角去思考电路设计的原因，这样对新出现概念(比如：共模差模等)就会有新的认识
% \: ]8 n: U( H2 o) ?7 e以下部分内容引自之前的差放推送
* Q& x( f2 @# U, G?
?
* |( z/ |3 S# z 差放电路的来源
+ z' a) j4 T! k9 d/ R?

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2 I# D, q+ A; @) j  C6 v4 H
差分信号的来源
6 B7 @* B6 i5 m/ Z6 M8 r7 }放大器中输入信号一般需要两根线，一根是信号线，一根是地线，这种称为单端信号。
' t  @0 c2 v9 O- J3 t" l" t- [! Z单端信号在远距离传输时，不可避免会受到外界电场的干扰，这些干扰信号和实际传输信号都会同时被放大器放大，使得输出端提取信号非常困难。

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科学家们想出了一个办法，就是将单端信号改成差分信号(Differential Signal)，也就是把输入端的两根线，一根作为正信号线，另一根作为负信号线，这两根线上的信号幅度相同，相位相反。这就是差模信号
7 \  Z; e0 B% ?+ w比如纯差分信号：

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纯差分信号的内部构成和外部形式
- ^) j1 z  b# V$ q, t( E$ x一端是0.5vid，另一端是-0.5vid，就是一对差模信号

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定义1：大小相等，方向相反的信号称为差模信号(Differential Mode Signal)，用vd表示
在传输过程中，将两根信号线用双绞线的形式紧密缠绕在一起，在信号传输过程中，两根线受到的干扰是相同的，那么此时，差模信号就是待测的有用信号，两根线上幅度相同，方向也相同的信号就是干扰信号。
定义2：大小相等，方向也相同的信号称为共模信号(Common Mode Signal)，用vc表示
# m$ g% w2 q5 k; K$ ?' W于是信号线中就既含有差模信号，有含有共模信号：

5 I) L) r- h: k. Z, o

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从中，可以得到以下表达式：
7 v# U, X/ l, L3 H9 [) F# u3 J) v5 C7 ]

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6 K" f- U7 N+ }' [9 L% B可知，共模信号实际上是两个信号的平均值

  d8 A9 {3 Y) z

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2 x/ q/ P9 U5 j0 I3 z9 ?引入差分信号的形式，实际上希望放大器能对这两类信号差别对待，希望能放大有用的差模信号，而抑制我们不需要的共模干扰信号，也包含直接耦合造成的零点漂移。
  Q% s4 T) V) B% R( P( g; H


) F# l- d! M" s8 Q( r8 Z9 ~1 |如何实现传输放大差模信号，抑制缩小共模信号？
采用完全对称的电路形式，用双倍的元件使得两个输出端上共模信号也完全相同，实施减法后，就没有了共模信号

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差分放大电路中最巧妙的地方是即使输出没有实施减法，也就是即使单端输出，共模信号也能被抑制，原因就在于两管公共射极的电阻REE

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由于REE对差模信号和共模信号的不同表现，这才实现了差放对差模信号放大，对共模信号抑制的"伟大使命"????????~
! z+ J1 i2 `0 ^& R3 L
而也正是由于这样的使命，差模分析是为了表征放大器的性能，而共模分析则是为了表征对干扰的抑制能力。
5 `. C5 Z" P1 R  }
?
?
& P8 J) y" D) G5 ]3 D/ E长尾式差放的静态分析
?
公共发射级带着Re的差放就叫做长尾式差分放大电路。这种差放的静态工作点突破口就是尾部这公共电阻。比如：
3 F4 x/ [1 z! a$ Z

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静态时将输入vi1和vi2都接地了，因此重点看下图加粗的回路，列回路方程，得到IB就是静态的突破口。
: n5 Z& }* b9 |! q, M+ C: A

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9 i& _2 a5 G: ^" U) k6 Q: I1 [

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注意IE和IC近似相等，就不做区分，而且两管完全对称，求出一个就是求出两个管子的静态喽。直接出结果:
) @2 n/ _2 u0 P- M) `6 X; Z
2 g1 T8 [3 x# Y- @3 q

xtwungqzwxv6402272048.png

4 _+ n  [5 Y& U, u# C当然上图中发射极的电位还可以用下面式子:
4 J8 S! Y! S0 [  W! z0 H

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?
2 l& m* E, G& {, W# ~?
差模分析和共模分析
. ?& }* q5 e& S- f?
由于差放电路两边完全对称，因此分析差放的关键就是如何分别在差模输入和共模输入时，画出半电路的交流通路，进而确定其各项性能指标，绘制半个电路时注意以下几点：
7 A/ Y+ a; L( T' e8 V' r1
差模和共模都属于交流分析
注意记得把直流电源接地处理
* K3 [* }- y! F8 n8 l( B/ V2
对尾部公共电阻Re的处理
?? 差模分析时尾部的Re上是没有电流通过的，于是差模的等效电路中没有Re
/ P, i( `( Q- [( r5 z! p?? 共模分析时尾部的Re上流过两倍的射级电流，因此当把它折算到单管射级上时是要变成两倍Re
3
! h) y+ p  B  ^& z对负载RL的处理

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- \* e" n: w  h2 y 差放的交流分析最重要的是记住各技术指标和半个电路的关系 。

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4 r/ [  R1 p* d+ D3 \2 q0 I

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) u* P3 ]/ o  a/ t# K有了上面的魔法表格，差模分析和共模分析的关键就变成半电路的绘制了。拿前面的 图 1练练手吧?(?????)?
图1电路差模分析的半电路如下：
0 I6 O) V: h9 d  W0 M8 P
. j/ B  w. a9 i: A* Z: R4 `利用表格中的关系，得到差模技术指标：


" w( c0 O4 i) {* w! {' x2 E/ P1 E图1电路共模分析时的半个电路如下：

8 L- L% @9 c% W+ r. ~+ ^  A3 X
例题：


4 _1 l8 C# r5 j& @/ {
(1)求T1管子集电极的静态电压VC1
  o. f7 ^/ C8 E& L4 V/ l(2) 求输出电压vo的有效值
" n- q8 m4 w2 i(3)求差模输入电阻和输出电阻
先来一波判断题抢答：
上图静态分析时判断下面五个等式：
; L8 C5 T+ m7 v0 z( o

. ?  S% K" }' q5 g1 v# K9 g' g
! r5 Y* f, @7 f, L0 J, j

留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
0 X. G1 Z$ p! B3 N+ ~解：
0 U0 P3 g- i% Q: N) N1 s7 X（1）直流通路如下：
+ a& l$ t; D  ^! E
; Q0 o, n. K/ ?$ Z# `通过T1管子的输入回路得：



' S( @2 u9 x& m/ n+ Y
6 D8 O2 g$ h7 o& W; {# x
4 V: B, c+ d0 d* ~

?
END
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