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。
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~~~???????
! U1 D% u% H) ^: O

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" [) @6 }* ^7 H$ T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
: Q! W% X: p$ E8 n' D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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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。
3 Y4 ]) x6 u$ }; F/ D' v! x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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+ U1 G' p; Q# `/ Z3 _- {" _1 h9 [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：
' ]# x; f, ]; K/ R6 d; B0 x; s

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纯差分信号的内部构成和外部形式
3 o; ?7 M( y/ z- ^. O) j5 a2 R  o一端是0.5vid，另一端是-0.5vid，就是一对差模信号

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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
' B& l1 Z3 T9 `/ A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：

# R5 H2 J9 W! `) C

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3 d' u7 {0 S6 F; {$ j从中，可以得到以下表达式：
6 u( T( c2 t7 Y% S4 M" Y3 J( ]2 s2 r+ Y- x

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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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2 C9 C; O0 j; T' k0 z" n! x
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。
) T7 p( ]/ {3 D+ R# Q1 c2 X7 B


. `; F4 K  q% p/ T2 O; X, h! K+ {' J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
0 W% D3 R1 K- Z) g

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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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' q$ R* K& t" w% N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"????????~

  ^! H7 r. A2 s" ^* t7 r) e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。
' U  I  K$ S8 @% Q/ U8 E; n3 |& x
: ~0 O) _) y, u1 m+ W$ C?
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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：
: I$ v  J4 |9 s, |2 [0 |

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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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9 c$ B( Y$ e- J+ `2 \% ^  U. d

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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:
' {' f; v( \: O5 y6 S9 U

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& L* X4 @( \/ e! i0 P- [当然上图中发射极的电位还可以用下面式子:

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6 i! [) K) o! r! J8 h 差模分析和共模分析
?
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：
& k# _8 R5 u0 C- t/ }( E" v5 Z1
( N9 ?: u7 ]6 _. q3 L. |" _1 G" x0 Y差模和共模都属于交流分析
0 M1 J* R, K7 v$ x1 s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
?? 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
- B& U  Q4 \4 ^: R( I/ G?? 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
$ f4 W/ D9 W% \; o3
对负载RL的处理

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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 。
; M6 O6 y7 O7 E  g: J3 Y& z5 M/ R

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/ {$ F9 \9 z/ E: a9 d

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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?(?????)?
0 m5 H$ ?" Z+ V  l图1电路差模分析的半电路如下：
* b# s: V$ R, h4 ]0 e( s5 B: i  _2 W
利用表格中的关系，得到差模技术指标：
6 b( N% N' P- {5 s

) Q: s. `- `  Q/ r2 k图1电路共模分析时的半个电路如下：

& o7 I* T; g# C/ n7 P
例题：
9 r  ?6 C9 ]  [8 l, R: R* l
. Z/ L3 k! r+ O! L
! C& h! F( U0 E. o* P
+ p; {: j6 a- `$ H& j( X0 H1 u: 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
(3)求差模输入电阻和输出电阻
' C: i2 p5 Q0 P' E2 w" t4 O5 F- J1 w8 T, H先来一波判断题抢答：
上图静态分析时判断下面五个等式：
0 Q1 y9 o1 |( k+ i


5 W/ u& [) V6 P, Q% ]8 V, S+ s0 D

留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
解：
2 D! V0 D2 E" _（1）直流通路如下：

通过T1管子的输入回路得：



4 D; O# s( t& p/ M2 T0 e  T% w
/ E8 Z  ]* I/ E+ N% @6 M- }: ?


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  D9 _; c0 u5 k* p. e END
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