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。
$ c5 R' M( _% M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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, _3 ~7 d' ~. S# `+ t" w7 { 差放电路的来源
% b" c2 D2 O: U?

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差分信号的来源
4 L5 z, X, D# `! L. T/ G! k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。
9 B* ?+ V$ j& e, C8 q2 e4 f! [1 N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。
6 b/ c, f& j$ }! H# x; r

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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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& R! l+ t) O: t1 O4 v* I% C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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2 T- \4 q2 w' I* y- l. T' o% 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
; [( k2 P" j* F* b% E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：
8 U5 m) K( r( z$ W- {& W2 r
; W1 n1 I7 o; E2 _

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从中，可以得到以下表达式：
/ P5 |, }) g7 m' D* n

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; \- I3 w  V8 o' I! u, X可知，共模信号实际上是两个信号的平均值

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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。
1 m+ [& w. V% b% D: a$ V

/ d  z% _) z/ F3 {( d
+ I2 [/ a, d' ~0 A0 C如何实现传输放大差模信号，抑制缩小共模信号？
7 M6 \7 [5 a; A2 X4 `% Z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
& `3 W" R9 S" r" r

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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
4 G! H$ U- q, ^* ^& a  n

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9 b' t1 j% @  }7 H) r' a) |; o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"????????~

$ u4 K' z3 o/ A) a/ _+ L/ s6 U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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7 Y( \, ~; Q- w( n2 n+ E- x?
2 w: U, G# {" ~0 e! k. ]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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9 M. Z1 k9 d' ?4 k8 w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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5 A- K+ t* v# u* v

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  K3 i$ ]" X6 q; f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:

6 H" C+ I8 F, p+ X1 K# O

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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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. W2 ^- y! E& b- y' H?
?
' i% K3 ]4 o! H3 y; L 差模分析和共模分析
7 n3 a  @4 g5 ^+ F: N) M. J) w?
" t: H( r+ U! _5 R+ N: U1 Y& ~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：
1
6 A5 o2 v9 A( |, W+ Z0 b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
. u- @" p7 f* M( S?? 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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! f& r3 o; G; R% | 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 。
4 S: o5 b( T0 |, b* G$ |2 C$ T: l

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5 l3 A  N6 L# p, @8 E

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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?(?????)?
& W' N4 ]  t9 J1 ]8 h  G# b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：


; W  g3 h& p' b: t; g! |  v: }: h  a图1电路共模分析时的半个电路如下：
! Z) \- V9 Q* s/ T1 L

$ X( m1 k3 I2 P9 X* |6 d7 t% A例题：



$ ]8 Z/ e2 z- c. c, [(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
7 W* I* V4 K2 D" z(3)求差模输入电阻和输出电阻
  j% e6 y+ o- X$ J$ a% Y6 m先来一波判断题抢答：
8 z& ?( z& j3 B上图静态分析时判断下面五个等式：
$ _" y& e: e; t9 n! [/ l6 A9 z, b
" F) |( t/ }$ f) C* r
7 u+ h: q. `4 p+ y1 z8 K

5 j  \; j3 \+ G: |- Y: |
留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
解：
/ Y* t& e% c. \2 p% N0 Y7 Y) f（1）直流通路如下：
' x# i- v# G, Y0 D6 }
, _8 M! x6 Z" u  x( c通过T1管子的输入回路得：
# }# a  i4 d0 N! Y& n, O
" `& A! x* ~$ V



8 X, C+ U8 d8 z3 ?

/ x; c$ ~! J' b?
END
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