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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, o6 u0 M7 Q, a/ t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。
* ^; c* x. i) \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~~~???????
" e  t; ], E4 r+ T; n" R! \  [

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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
; K4 p3 b, @" R?
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8 ~$ D+ H5 [5 E% q& \ 差放电路的来源
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0 g) ]. S( v. H% J  c
8 I* O) F0 h9 K5 ^3 k: i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。
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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- P5 `$ d9 @& b( g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
1 Q$ O% z' z8 K( X4 Q' [7 ?比如纯差分信号：

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; S' X- y# I# l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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( S" q% g( `' U7 w- {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! v9 M  y8 S7 }! `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
  H" X4 E4 q1 E: K; Q" Y于是信号线中就既含有差模信号，有含有共模信号：
! [  x) t0 K0 _- @4 D9 v0 I; `
; v' x6 i) w; _5 k" r

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从中，可以得到以下表达式：

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' y7 M) \( Q: [& O5 R2 {可知，共模信号实际上是两个信号的平均值

5 E; I# ^1 x- I$ P* @' C/ W

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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。



如何实现传输放大差模信号，抑制缩小共模信号？
+ a1 B) I. M6 k4 o" r9 W8 U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
/ b& l( ^7 @( m! y( l/ J( w

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! {) e9 _" L+ X/ {( z8 ]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"????????~

/ K5 |7 O( T5 i' U& q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。
3 e8 R2 d: y1 o, u9 f" m8 \
& D8 n2 P1 ^5 z2 c?
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/ S# A. i+ ^, p* x长尾式差放的静态分析
) b: H$ X% m* V?
5 c/ l& c  W  ]* b 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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/ f. D/ c/ j0 b/ p; X$ K+ r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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, g, R' U- J, {: N  A" Z0 E# O) F4 `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:
, y9 n( |# H/ h+ N
3 j) `# A$ H4 w

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当然上图中发射极的电位还可以用下面式子:
. B. J- H( a7 S/ O$ B1 g1 U

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" i5 r% N/ s% E6 _% X& G7 f?
7 r: \( i! R3 z8 F( b' z 差模分析和共模分析
?
$ c+ z* ]0 m; K! q5 ?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
/ f* [) w/ h7 F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
# ]+ |" s- q! Z2
对尾部公共电阻Re的处理
+ z( |- }+ K3 k7 {5 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
?? 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
/ s% ?: i( s% ?. _& W3 `3
对负载RL的处理
# h$ J" Q( _4 ^3 |

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+ u9 |' l3 e7 R5 q# @5 F 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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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?(?????)?
% J* Z2 j, [2 ~3 g, A8 o5 i图1电路差模分析的半电路如下：
- R& X5 P0 Q7 c0 q2 r: G/ \, r* k, H" ^
& \4 w& S1 O' b& a利用表格中的关系，得到差模技术指标：
+ P9 G) N7 P9 v- Q# B
2 w: q: z3 P7 B, G/ `% T, g3 [% c% ?' E
图1电路共模分析时的半个电路如下：


! o4 T) X$ n) D- R7 u: ^4 m' N$ Q例题：
4 P& F. T% ^% D( |( V
) Y' Z  {% I+ W& v1 }- z

(1)求T1管子集电极的静态电压VC1
9 N8 i# c& {) o( i# k(2) 求输出电压vo的有效值
+ y6 n. D' B: W/ C4 e(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：





留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
8 f& R: Q- x+ e1 m  \4 C. H: B解：
  e& b! c  V7 P6 `6 C# Z（1）直流通路如下：
3 \7 _( l  z5 K2 s1 M
3 C5 u& d) d; W. \通过T1管子的输入回路得：
% q# ^, n/ o" P9 f# V8 B

/ s7 L# l7 }5 c  |  I7 v" c; V

- s; \7 I8 a' h, v6 o, k

: Z3 U) C. r" n' j; t
- c! |0 S8 l( C! Q" I3 A/ ^+ l?
END
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