仿真分析差分放大電路的性能

關(guān)秀麗，雷艷敏，任麗曄

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

差分放大電路利用電路參數(shù)的對(duì)稱性和負(fù)反饋?zhàn)饔茫行У胤€(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號(hào)抑制共模信號(hào)為顯著特征，廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測(cè)量電路的輸入級(jí)。但是差分放大電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分析繁瑣，特別是其對(duì)差模輸入和共模輸入信號(hào)有不同的分析方法，難以理解，因而一直是模擬電子技術(shù)中的難點(diǎn)。Multisim作為著名的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，它不需要真實(shí)電路環(huán)境的介入，具有仿真速度快、精度高、準(zhǔn)確、形象等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)實(shí)際電子電路的仿真分析，加深了對(duì)差分放大電路工作原理的理解，對(duì)掌握集成電路具有重要意義。

1 工作原理

差分放大電路是直接耦合電路中最典型的一種電路，它不僅可以通過(guò)雙端輸出，對(duì)負(fù)載兩端同向的電壓相互抵消，同時(shí)對(duì)單端輸出的零漂也有很強(qiáng)的抑制能力。

圖1為典型的恒流源差放電路，是由兩個(gè)電路參數(shù)完全相同的單管放大電路，通過(guò)發(fā)射極耦合在一起的對(duì)稱式放大電路，具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。其中，三極管T1、T2構(gòu)成差放的兩個(gè)輸入管，T1、T2的集電極 VC1、VC2構(gòu)成電路的兩個(gè)輸出端;三極管 T3、T4構(gòu)成恒流源電路［4］。

圖1 恒流源差分放大電路圖

雙電源的作用:使信號(hào)變化幅度加大;IB1、IB2由負(fù)電源UEE提供。T3管工作在放大區(qū)，相當(dāng)于恒流源的作用。T4管為溫度補(bǔ)償三極管(BC短接，相當(dāng)于二極管)

其作用是保持IE3的相對(duì)穩(wěn)定。

恒流源的作用:相當(dāng)于一個(gè)阻值很大的電阻，不影響差模放大倍數(shù)，但影響共模放大倍數(shù)，使共模放大倍數(shù)減小，從而增加共模抑制比，提高抑制零點(diǎn)漂移的能力。理想的恒流源相當(dāng)于阻值無(wú)窮大的電阻，所以共模抑制比是無(wú)窮。

2 電路分析

對(duì)差分放大電路進(jìn)行分析，常用的方法有微變等效電路法和仿真分析法。

2.1 微變等效電路法

當(dāng)放大電路的輸入信號(hào)很小時(shí)，其工作點(diǎn)將在特性曲線上一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，可以將三極管的特性曲線線性化處理，從而把三極管非線性元件用一個(gè)線性模型來(lái)替代。

用微變等效電路法分析負(fù)反饋放大電路時(shí):首先要分析放大電路的靜態(tài)特性，求出其靜態(tài)工作點(diǎn);其次要畫出其相應(yīng)的交流通路，再將三極管用微變等效模型代替，得到相應(yīng)的微變等效電路;最后以微變等效電路為基礎(chǔ)，運(yùn)用電路原理，分析、求解放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)［3］。

微變等效電路分析法原則上可用于分析任何放大電路，但由于相對(duì)復(fù)雜的電路要聯(lián)立方程組，運(yùn)算量比較大，可能會(huì)造成一定的運(yùn)算誤差，所以適用于比較簡(jiǎn)單的電路。

2.2 仿真分析法［1］

主要由于對(duì)分立器件電路及集成電路硬件實(shí)現(xiàn)之前進(jìn)行復(fù)雜研究，分析不同輸入狀態(tài)下電路的性能，并可以設(shè)置各種測(cè)試條件，對(duì)電路進(jìn)行全面分析，本文主要介紹用此種分析方法對(duì)差分放大電路進(jìn)行仿真調(diào)試輸出波形，驗(yàn)證差分放大電路的特性，并用參數(shù)掃描法分析差放電路不對(duì)稱時(shí)對(duì)輸出的影響。

靜態(tài)時(shí)，Vi=0，由于電路對(duì)稱，雙端輸出電壓為0。

差模輸入時(shí)，Vi1=－Vi2，Vid=Vi1－Vi2。若采用雙端輸出，負(fù)載R1的中點(diǎn)相當(dāng)于交流零電位點(diǎn)，差模放大倍數(shù)AVd=AVd1=－Avd2;若采用單端輸出，則AVd=AVd1/2。共模輸入時(shí)，Vic=Vi1=Vi2，VC1=Vc2，雙端輸出時(shí)輸出電壓為0，共模放大倍數(shù)AVC=0，共模抑制比KCMR=∞。

2.2.1 差模放大特性

在Multisim電路窗口創(chuàng)建仿真電路。令Vi1=100mV，Vi2=0。這是一組任意輸入信號(hào)，在實(shí)際分析時(shí)，可以將其分解為一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)。雙擊示波器圖標(biāo)，可觀測(cè)到單端輸出時(shí)的輸出波形如圖2所示。由于示波器可測(cè)得輸入電壓Vi=10mV時(shí)，輸出電壓V0=－45.6mV，由此可以計(jì)算出單端輸出時(shí)差模電壓放大倍數(shù)所以差放電路對(duì)差模信號(hào)有放大特性。

圖2 差模信號(hào)輸出波形

2.2.2 測(cè)試共模抑制特性

將三極管T1、T2的兩個(gè)輸入端并接在一起，為共模信號(hào)。雙擊示波器圖標(biāo)，可觀測(cè)到單端輸出時(shí)的輸出波形如圖3所示。由示波器可測(cè)得輸入電壓Vi=10mV時(shí)，輸出電壓V0=－0.975mV。由此可計(jì)算出單端輸出時(shí)共模電壓放大倍數(shù)，所以差放電路對(duì)共模信號(hào)具有抑制特性。

圖3 共模信號(hào)輸出波形

2.2.3 參數(shù)掃描分析

差動(dòng)放大電路為完全對(duì)稱電路，當(dāng)R8和R10不相等時(shí)，觀測(cè)輸出波形的變化。如圖4所示電路，可見(jiàn)，差放電路不對(duì)稱時(shí)，靜態(tài)雙端輸出不為0，且交流輸出幅度略有減小。

圖4 電路對(duì)稱、不對(duì)稱時(shí)的輸出波形

3 結(jié)語(yǔ)

上述仿真分析結(jié)果，與理論分析和計(jì)算結(jié)果一致。從而加深了對(duì)差動(dòng)放大電路原理的理解，對(duì)掌握集成運(yùn)算放大電路和其他模擬集成電路，以及實(shí)用電路的設(shè)計(jì)有重要意義。

［1］ 楊素性.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程［M］.北京:高等教育出版社，1999.

［2］ 李偉.Multisim7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］ 張少明.負(fù)反饋放大電路的仿真分析［J］.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，4(2):99－101.

［4］ 石嘉順.基于Multisim環(huán)境下的電路設(shè)計(jì)與仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2007，24(12):306－308.

［5］ 盧超.負(fù)反饋放大電路的仿真分析［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(16):115－117.