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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' ^7 ~9 e# d8 Z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。
) {0 W0 ^) l. |( G' u7 M/ V, `0 T0 Z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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5 t& }6 ^( x9 r- l& m& ^/ X* Y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
( |' C- w+ R' v+ U& s% ]' Y% {, N以下部分内容引自之前的差放推送
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$ T1 d9 S: d6 \1 v, N+ q; b?
+ Z  C9 g$ w+ r0 X0 {, X 差放电路的来源
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& \, ~% V' ~8 {" |; `差分信号的来源
" V) U7 p$ r$ ^. Y+ N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。
& g; l0 y# n8 S9 A* \: e+ m2 k

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  n% d: ?$ B+ b  M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：
' S( Q2 C8 q% F+ D: Y

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纯差分信号的内部构成和外部形式
* T2 l! A6 a# |* c4 n+ J* E$ s+ L一端是0.5vid，另一端是-0.5vid，就是一对差模信号
# j' X8 d  H  X3 q) N6 x9 k: b

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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
$ E: ~+ k! T) Z0 e3 r: I" C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。
8 X/ P/ m0 j5 T7 G6 M* y. T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：

7 x3 s  ]0 ]% B

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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
0 i0 v" l/ Q( U" I( P" b8 ?  o
  q5 d3 l& P6 E8 @

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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。
0 [" @$ m5 O) g' B  H


如何实现传输放大差模信号，抑制缩小共模信号？
/ H6 l( m2 z/ I( F# K" F* x1 ]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
" P* I& N2 p. s6 k

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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
8 c( l% k. {% Q2 ?7 K( _

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% ]6 U! {* i9 j2 `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。
$ Q+ _2 h0 t0 ~  C& A, r
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! z! ~2 ^2 G7 _. j0 a, \?
/ \. a: C% A$ i' K长尾式差放的静态分析
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# Q- {% x- z6 m1 s, l' X 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：
5 h$ b+ L1 J  I4 X9 E

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/ b& `3 |( e- V/ q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。
! ^5 h2 `; P4 r) L5 e% J

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( r8 e: G: q# \9 M& e2 g7 v1 S6 d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:
( Z( E- {; l7 v4 Y) v6 {

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当然上图中发射极的电位还可以用下面式子:
' w/ \6 |% A$ X* ^% W

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& u0 J8 z! O% J" k1 A?
差模分析和共模分析
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1 W  M; u" h$ x6 O2 Q$ `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：
8 S7 b! d+ T9 g* H: d+ n/ u1
6 u1 v* ?9 k5 G4 o3 H9 N" Z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
1 F$ u5 `- \; v0 _& ]- K2
对尾部公共电阻Re的处理
, f6 q) g- M1 s! B, t& p5 n( J% v?? 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
) ~1 M1 U& G. d4 v3 _- S8 p?? 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
2 f8 g" u' I$ ?$ M' [3 F

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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 。
  t, }, m7 t: V4 j% T( l. }$ [

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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?(?????)?
图1电路差模分析的半电路如下：
: H' v6 t/ s4 S
利用表格中的关系，得到差模技术指标：
" M6 N. u& x3 N' y( l  N

4 z: y$ k  U8 ?图1电路共模分析时的半个电路如下：
; j) `2 Z; E  m" w$ v7 V

例题：

& p5 g* q: M( B( P# S) K5 e

(1)求T1管子集电极的静态电压VC1
+ h/ N2 v, _& s& x; n. ](2) 求输出电压vo的有效值
# h* S# t5 x3 A, G(3)求差模输入电阻和输出电阻
先来一波判断题抢答：
2 R6 ~4 G5 X8 H2 U) p  H2 |5 P上图静态分析时判断下面五个等式：

6 d! P5 }7 }; Y8 ~% }. o
, m) k1 A1 W- o- x" m( }
. q; z! k' H' u: t- @, }

/ S! f  s9 m* B! z* O, N- @! R留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
解：
（1）直流通路如下：
( Z+ V7 w7 y3 w* i
* F1 @+ S1 A9 Y+ X# [* c, j通过T1管子的输入回路得：



. [! @3 G8 e4 j2 a3 k2 Y



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END
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