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~~~???????

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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
" s/ F- q! X# p% p?
7 U) l+ v+ R: w5 a3 Q+ M! F?
差放电路的来源
?
' l8 D3 {0 H* f3 O# d- A

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0 l" ~2 O2 R, V# p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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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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% g' P+ _% q1 y! L: D. G纯差分信号的内部构成和外部形式
  A4 X" ]# N# [6 P1 f% G2 E一端是0.5vid，另一端是-0.5vid，就是一对差模信号
( o% T- `+ w* k7 N8 t5 p/ K

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4 R% a* w- ]6 C- Q" d2 t/ n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
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
, X" A& b: ]7 ^$ Q: }, {/ [于是信号线中就既含有差模信号，有含有共模信号：
3 _0 f5 l$ O+ d

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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
9 E) g$ i$ ]; s" T& r
, k% A5 d7 D. Z' |5 p$ `

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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。
! ~+ n& B6 A7 L. q
. L# ^7 j5 q6 o- g. J- k
6 f$ j- U( K; ]
8 d% Y" O( x: }; N. W! v& r* Q; r7 E9 n/ q如何实现传输放大差模信号，抑制缩小共模信号？
6 G* U% P. ^5 Y- W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
8 q; p. [% t# B6 h1 U  T$ L* c

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2 b7 S8 S* P0 a; p3 c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 ?5 j% `& f6 @$ ]% h% l) j

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3 F6 b5 d1 o7 _  ?1 y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。
) n* e- k! q, n! @
0 T6 A* L4 U4 M/ f?
?
* E0 W2 }9 ^/ Z- m- S" q长尾式差放的静态分析
?
6 {: u* I0 B3 |' ]8 \8 A; y8 p5 z 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：
  a  i* N( q8 N9 y

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4 B3 l0 l$ V; n  g6 z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。
) A1 Q6 G, y4 N& T) M: H

sic3tw0ibep64026833732.png

vfxielkyfnw64026833832.jpg

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:

$ Q4 q2 X! K+ h3 `

5g2ef3s2usw64026833932.png

当然上图中发射极的电位还可以用下面式子:

datowl0zsl164026834032.jpg

6 n+ g4 R( V; M, W" Y?
) T  [1 K3 n( H' Q! D?
6 T8 c3 M7 W3 T! M3 {, d, e4 s9 f 差模分析和共模分析
?
# c0 U- q' T8 b  g7 r. h/ W$ G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：
" V! }& j( _" @5 d9 ?( }* w+ o1
" L( [& g" l+ O6 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
9 M) Q$ E5 D9 T( V  A& o+ I% E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
?? 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
& p: _: T% |) e; n1 Y& L对负载RL的处理
9 L3 A4 j: d- {! x% q. @. X

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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 。

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' w* a( W; T8 t" W$ Y' D9 R# V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：

* q/ |1 ^+ t  _  n- n$ d利用表格中的关系，得到差模技术指标：


图1电路共模分析时的半个电路如下：


" }, z, T" ]6 H1 n/ U例题：

$ _2 t# y( n  d1 J; W1 L* y

(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
! I: U* Z: @# w% p! G6 n& v) H(3)求差模输入电阻和输出电阻
* l1 d/ ~9 [& Y先来一波判断题抢答：
上图静态分析时判断下面五个等式：
# V+ `9 E. |: B. T3 n6 ~# |

4 a1 U% C+ F/ n) c3 Y$ y1 b2 |

* Z# S7 {- E- T9 {. @/ K- l6 j9 P
- R4 m' f8 g  p8 g) H/ h% @- A+ U留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
解：
（1）直流通路如下：

通过T1管子的输入回路得：
" I7 e  c7 _  L) V) L1 l7 M


& z) p) K  L# r( c

: H6 F5 h: B; m/ D

?
END
  k+ z  g* M: T: ^; d( t* Z?
3 M+ M0 n. O% D/ ]" l8 J0 ]?