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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/ y$ m% U; l& [3 E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。
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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" m% C! Q! C$ H! @: X$ |& t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
以下部分内容引自之前的差放推送
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# ]- b- a$ B# V6 F" q?
/ U" |2 p% H1 X, t. b; ~3 ?7 R4 I 差放电路的来源
9 Q6 @' A$ o1 T?
8 O) X7 P: U) u/ V3 S+ E

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0 c4 U4 Q! j6 T, z8 Y% X
( N6 K- l- M4 j2 [差分信号的来源
9 Q: S4 M9 @" N" n) t2 C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。
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。
0 k5 S/ r/ [- _9 n1 m

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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
4 e5 A4 ?+ v- K" m" [$ i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
一端是0.5vid，另一端是-0.5vid，就是一对差模信号

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/ F( H) m5 n- A- w* P. E& B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
) R! I# t# k& T5 m& P于是信号线中就既含有差模信号，有含有共模信号：
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% F5 G- N3 ~0 s- K- n从中，可以得到以下表达式：

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9 X2 C0 ]% x8 h" O5 Q可知，共模信号实际上是两个信号的平均值
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/ {4 f, ~+ L. D& v
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。
5 |7 C8 q3 L8 B' v1 B


( d0 A( A; w/ f+ @  n' a% n% l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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. A2 F- g9 }, ]9 |/ D  B  s

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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"????????~

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。

% v8 g: T% _: q; E- K, U?
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' {! {, ^8 L# i长尾式差放的静态分析
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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：
% t. \* \" w7 C, k& _- [

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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。
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) ^) J2 R' d& o; U0 ~5 D! \+ P

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# L% k- ?) o4 X- h7 E- g7 K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:
8 o- z+ G5 r: y2 b% ~
+ Z3 `6 A8 x) a+ j2 y

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当然上图中发射极的电位还可以用下面式子:
+ o8 n) e: R% [1 F' g

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$ P1 M0 \1 j! ]- a?
# i; S% }+ E6 T- g: m2 }. W?
差模分析和共模分析
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$ Z8 c% e4 N4 n9 x( }! H' D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：
5 n2 y7 _5 ^7 ?" o  c1 _8 F1
1 J  _. ]) ^. |差模和共模都属于交流分析
% Q2 J% q4 L0 M5 ~9 O/ ~& R% {2 Q注意记得把直流电源接地处理
: a& n+ F! B9 r% V# N2
: a) Q9 N9 f9 p* B& t0 M6 ?对尾部公共电阻Re的处理
+ n8 @4 Y8 v/ M+ o4 u- W, _5 K2 z?? 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
, O4 k* X6 _0 w- y5 n?? 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
( o8 \& U% o% a+ w% ?  R; b3
对负载RL的处理
2 F! Y& D/ W5 d8 K8 \: \

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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 。
7 _5 L2 j0 L' g; T9 |

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5 J1 \! E: o% L, \/ p4 l& w

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2 t" A; f) u, ^6 h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?(?????)?
$ q& w8 ]2 w7 E! }图1电路差模分析的半电路如下：

  r  V* u2 {$ @. M/ P6 w4 E5 y  }利用表格中的关系，得到差模技术指标：

4 ?# r& b' T1 b* m% `
图1电路共模分析时的半个电路如下：

, e' H$ Y' M4 x& ]  Q1 j
( [( G. E4 G& Y% t! b例题：



(1)求T1管子集电极的静态电压VC1
$ s% A$ {0 @- T6 ~( |(2) 求输出电压vo的有效值
+ \" K! Y; {* j6 ?" _(3)求差模输入电阻和输出电阻
先来一波判断题抢答：
% v( L2 K; {+ ^9 P( [' a% ?0 ~上图静态分析时判断下面五个等式：

* U+ b% q1 y: v7 Y* s1 U8 q

7 f) U* d/ `0 M$ t6 ]

9 N. b" [6 \, |! Z9 V2 K5 O留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
解：
（1）直流通路如下：

通过T1管子的输入回路得：
4 l- b3 ~. }, J) a1 s5 j7 @
* |5 H( ~& E2 n! Z7 ?

' D! q! m: z+ Y# X& d  W/ G



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END
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