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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* G. Y# S! ~0 l9 @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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" y2 I5 X. s, u' K0 I* R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) i! j! {0 o9 c) m% G以下部分内容引自之前的差放推送
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5 R( J  g$ J, Z% `4 Z 差放电路的来源
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$ @# |7 I, W1 m/ R# q3 R/ M
差分信号的来源
1 G/ M5 L* X  D% U& O6 q7 t; H  |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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% M1 e& C; t8 M6 X1 t/ p0 J' K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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/ R0 R# C% G" s! J- o# |7 k纯差分信号的内部构成和外部形式
4 c; y7 J9 f* _& z1 L4 C' Y一端是0.5vid，另一端是-0.5vid，就是一对差模信号

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6 Y( u. t5 w8 A- k& Q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
3 `% x' x7 n" _6 ~9 u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。
5 R: U% b% k) o. P: u# B' I) ^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：

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从中，可以得到以下表达式：

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+ e: n5 f: E/ i! E2 T可知，共模信号实际上是两个信号的平均值

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3 X4 j" B$ u& [( M. K$ }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。

2 u  }" B2 q  C$ z3 I; n8 S6 Q* i

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

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  O1 d& G) f# n7 X, c5 S7 H/ n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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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"????????~

7 B; K1 `+ z! ?* W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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+ t2 C% Z3 }. y7 d. B?
长尾式差放的静态分析
" I) x. E- v. R- u) f, `# I% @' c?
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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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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' `& N1 D- R/ r8 p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:

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/ I0 ^( [3 s% g/ w3 }* y当然上图中发射极的电位还可以用下面式子:
1 @2 T+ t/ w# Z/ U7 g* ]+ U9 x

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. W* Y+ R4 M" l* I# j; g. Z6 F 差模分析和共模分析
5 _4 o7 I4 s# s! z% \, G( M- ]?
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
+ y3 V. u8 B& a. P, q2 R- |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
?? 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
2 q4 i* r4 p2 A* a4 l, `7 e0 W

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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 。
3 h7 B, R) {5 n

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# g$ n% m* t! b/ I4 A

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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：

/ O  L' D+ e7 i+ K+ X. i6 Y. [5 Z, o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：
$ Z5 j/ z' T$ k& J2 V
7 C( p" N7 T) n/ K' R
例题：
' M& J6 F0 p0 j! v. F# @


* `% K3 B6 m) e  n/ r! P: H(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
* I4 ~) U% d/ V9 x  s! [先来一波判断题抢答：
1 y4 O& p- j, ~% V, }% q0 J' _上图静态分析时判断下面五个等式：


2 ~% {) B2 g4 X" g3 }3 H& Y


留言区里给出对??错?就行(。＿ 。） ?＿
解：
6 c1 k) l. s- G% h: B9 W; B# c（1）直流通路如下：

+ A; t: S% R* a' Y& |* N, v+ S通过T1管子的输入回路得：
' s+ {. a1 l; ~* s# V

+ v3 b" s+ d1 ]. F; S0 ^
, D* y& S; f& v  Y$ u

: R) R5 q7 i- j) u; X' p' t; L9 L
1 k% ?$ I# x$ m/ H9 J: X
$ @' f" z7 s, }; s! M( |( Q?
6 C6 @* m4 D( ^1 y) n* A1 n8 A# q END
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