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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# _) s% B3 @+ [  c/ Q$ K" v2 L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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差放电路的来源
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) l; m# x; V3 c( A- D5 ?# I

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差分信号的来源
' K# l6 r& }" Q  H0 ^& e+ `' S' B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。
& B* U5 [9 X0 J8 @* W8 K7 d& l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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, \% `6 j- g6 ~! q: u  p2 R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
$ I( q7 }4 Y2 D9 z比如纯差分信号：

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. Z3 h- A0 J- \% A: e  n, l纯差分信号的内部构成和外部形式
: j+ I: l/ M2 g( |9 n7 X一端是0.5vid，另一端是-0.5vid，就是一对差模信号

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: M) H2 Q; _* q  m/ h+ c2 M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
  n) U3 G, i; r( v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
* A* {( c* N* _- ^) [2 p于是信号线中就既含有差模信号，有含有共模信号：
2 n  M% |& S4 y* o9 T
& Z3 W# o8 U2 y) v' {

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从中，可以得到以下表达式：

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可知，共模信号实际上是两个信号的平均值
' K) j$ f+ |" \; x: l* {
! r& D  [1 E) Z! a# p& Q4 x

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% ~$ x6 m& P0 o5 M2 v5 n
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 M; E* b4 F" [

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
! P9 X" M& g3 y

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: Y2 ]- E" P4 X/ }9 D/ m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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; L. k9 h) R$ T; X3 c" J7 Z; A' \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"????????~
: `9 |- R2 A, T9 i4 ?$ Z
( t& z7 B* Q; ]" B. x+ o1 }' ]5 I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。
- @/ e% p6 }0 v! ~
( E: v$ D" d( b- Z6 ?5 L% {?
( q. L: a2 Q* a) [; B4 e?
8 P: h! W# _! O& D$ J长尾式差放的静态分析
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) l6 e: X" h' h) M4 C) n- U 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：
+ j9 `0 U8 W  k; O5 W  w  q; c

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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 \$ G2 R  F

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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:

& P" W+ o  H, L, E+ B

pinucrc4gs464014814237.png

当然上图中发射极的电位还可以用下面式子:

aolzm4wpcvg64014814338.jpg

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" m" C8 ^+ Q' N?
差模分析和共模分析
" W( G: k$ J) p8 M?
/ C/ g/ R# n9 G- o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：
& b: t( Z8 ^( L1
/ B* b, b& @' E8 r8 P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
2
对尾部公共电阻Re的处理
8 k$ Q8 z1 }. p- E, L?? 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
$ d, |0 L8 g$ C7 \/ j3
% k3 n4 ^8 X$ V; [3 u/ k3 F) R对负载RL的处理

gvsob4ol2y564014814438.jpg

" ~9 C0 A6 n9 L9 |2 e8 G 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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" \6 `4 J- P0 s8 t" G' b  n

e2yfstawmsm64014814638.png

7 G. x% R8 ^1 r+ l3 }& t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?(?????)?
% D! G$ {( d' i/ F图1电路差模分析的半电路如下：

利用表格中的关系，得到差模技术指标：

4 _& u+ r$ _* y' e6 x
图1电路共模分析时的半个电路如下：
2 |  k  Z$ |# V5 z

. r; h: b1 K" B, [6 {5 R& f例题：
- ]: ?" G3 o# b( [* u5 Q+ V  }
: a9 a  j  N- t8 o# b- v4 @
" ?* s$ N  |+ ?" P
(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
# U0 G2 ?5 V/ O- C(3)求差模输入电阻和输出电阻
先来一波判断题抢答：
) `8 @) C+ y& ]& G" W6 }% s上图静态分析时判断下面五个等式：
, @5 B' u$ v( @) r6 y: f
" [& v0 ~1 W$ E  S* \$ {
1 ]: a  m  {( G- X9 D* p" A" O
  e' D  H8 O* h6 q0 _0 X  V7 E

留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
0 p$ L5 G. w! G解：
（1）直流通路如下：

通过T1管子的输入回路得：

. F! Y' k! i6 o" V  U8 g3 d

. T! h' h3 e, ~' T: B



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END
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