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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1 v4 P4 d8 _! U, c: E& P2 X- s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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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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$ \: m) S& N2 v6 s. I$ d8 |5 i6 N 差放电路的来源
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差分信号的来源
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。
1 o7 y) M& f3 k! O; A4 j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
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
2 m! s) ?3 Z8 h$ Y( X0 Z: p0 Q一端是0.5vid，另一端是-0.5vid，就是一对差模信号

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' O$ P) G; s1 U. s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
3 o/ n! k2 H  X9 z! }8 e- k/ j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
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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5 l5 P& S3 {1 d+ @) ~从中，可以得到以下表达式：
0 s! v/ y% ~  P( u* ?( m4 C

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可知，共模信号实际上是两个信号的平均值

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, j  h# ^2 Q( d. E
" D; e+ d5 k* z- D6 O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。


" }6 G9 [$ B; H- n) u
& _0 W6 L' o5 F8 u! @如何实现传输放大差模信号，抑制缩小共模信号？
3 e+ o  m3 b' B/ V" y) ~3 l6 b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"????????~

. s: m4 a* v# v0 b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。
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- G, M' `, \* z1 J3 k# m?
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2 P2 |- |2 x4 F5 i* A* B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：

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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。
1 b& h$ v: {* U- ^7 h$ k

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4 }' n$ _3 [& H2 i' X4 q6 K1 w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:
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2 N' L5 ]- p$ Q

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当然上图中发射极的电位还可以用下面式子:
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, C3 x# Z- v. F! s?
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: [& C7 X& u3 B$ o2 J 差模分析和共模分析
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. \( y) t/ |4 G7 q2 b: V4 k0 d) v- J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：
6 F& w* g: p8 Y1
5 ~7 ?, p9 e% M1 @$ Y" Y' }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
' _# C/ k& k! w( C2
( r1 h* n) b/ x1 Q3 h对尾部公共电阻Re的处理
1 Q8 ?; a$ U4 A2 Z! `5 ]?? 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
?? 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
对负载RL的处理
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6 l, K; V' I4 R7 r, a1 D 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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' B( n; N: G9 N! I0 S

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. A1 ^. g! `; ^6 O( h; D6 X8 t- j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?(?????)?
+ c- y8 a$ W' U$ ~: A图1电路差模分析的半电路如下：
2 V' E1 n" z( o6 Y! a3 N
! [: k4 w* _" b8 i5 L2 P利用表格中的关系，得到差模技术指标：
3 d. t6 d/ h! ]+ a; Z! d
8 b) G! ^) _8 p$ g1 O+ G
: ~" U5 p, Q( }. ]5 Z7 v) H图1电路共模分析时的半个电路如下：

- g6 |# d; Q; _- i+ I. E0 g: u
. D1 m5 `" {4 `3 B) _' Q例题：
3 J5 K* G; Y; g8 o6 z) g

, g, P8 K: H# I
5 r$ A) S  X: f; S8 z) Z(1)求T1管子集电极的静态电压VC1
(2) 求输出电压vo的有效值
(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：
% l) S3 v( @, h0 p/ j4 O. H7 V
) V# e' B1 o6 m7 t& i! U1 _

. I7 B, d: U9 _  E$ {
' o" e/ ~/ ~% ^1 S1 J: }+ [4 D
留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
解：
（1）直流通路如下：

- C4 k9 Z% s+ d2 G3 V4 [% K7 [) v3 U! a! p- M通过T1管子的输入回路得：


2 U8 g, u6 f5 R# _: J
6 i  d' V, C3 M: z9 W7 T8 B
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