差分－共集負反饋放大電路的理論計算與仿真分析

楊一軍， 陳得寶， 曲惠勤， 張 勇

（1.淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北235000；2.合肥師范學院 學報編輯部，安徽 合肥230061）

1 引言

差分－共集電壓并聯負反饋放大電路是一類優良的互阻放大器，其輸入電阻低，輸出電阻高，適用于高內阻信號源，大電阻負載場合。直接耦合方式下差分電路的突出優點是抑制共模信號。近年來差分－共射、差分－運放負反饋放大電路屢見報道，引起人們的關注［1，2］，然而差分－共集電路結構尚未見到。本文設計了直接耦合方式下的差分－共集電壓并聯負反饋放大電路，以直流差分信號作為輸入變化量，以單端輸入、輸出方式在EWB環境下對電路仿真，按定義得到開、閉環互阻增益，其滿足反饋放大器中的基本關系式。理論計算的開環采用先求電壓增益，再轉換為互阻增益的方法；閉環則采用微變等效電路。結果表明，仿真與理論計算一致。

圖1 差分－共集電壓并聯負反饋放大電路

2 仿真

2.1 電路

由差分放大器和共集放大器級聯組合而成的直接耦合多級放大電路如圖1所示。判斷可知，當S鍵位于M處，構成電壓并聯負反饋放大器；位于N處，是考慮反饋網絡后的基本放大器。

2.2 仿真

啟動仿真軟件EWB，設置三極管β＝100。通過S鍵在開環和閉環間切換；雙擊電流源對其輸出量設置可實現差分信號輸入；記錄兩次輸出電壓再做它們的差，能完成差分信號的輸出測量。用II、IIF表示開環和閉環下的輸入電流，用VO、VOF表示開環和閉環下的輸出電壓，用“’”表示變化后的電量，具體結果見表1。

表1 仿真測量值

表2 仿真測量計算結果一覽

將表2中的Ar代入反饋放大器基本關系式

其中反饋系數kfg＝－1／Rf。代入數據得Arf＝－344.86 kΩ，與按定義所求的－344.27 kΩ 結果很接近。

3 理論計算

3.1 靜態電流

對于基本放大器，將輸入端交流接地短路，略去RB1電阻壓降，可得T1、T2管靜態電流

考慮到IB3為小量，略去后得T2管集電極電位

與仿真中的6.434V比較接近。根據電路可以計算得到T3管發射極電流IE3

3.2 開環增益

根據單端輸入、單端反相輸出時，差分放大電路電壓增益Αv1為

其中rbe1是T1管基極與發射極間等效電阻；Ri2＝rbe3＋（1＋β）RE3／／Rf／／RL，是共集電極放大電路的輸入電阻。不失一般性，取rbb＝100Ω，β＝100，可以求得rbe1＝5.677kΩ，Ri2＝336.1kΩ。第二級共集電極電壓增益Αv2為

其很接近1，通常認為Av2＝1。電路的總電壓增益Av為

由互阻增益Ar定義

其中Ri＝2（RB1＋rbe1）／／Rf，是差分－共集放大器的輸入電阻。將相關數據代入，求得Ar＝－1122.9 kΩ。按相對誤差＝｜理論值－測量值｜／理論值×100%

可以求得與仿真間的相對誤差，具體見表3。

表3 仿真與理論計算相對誤差一覽表

3.3 閉環增益

由電路知，反饋系數kfg＝－1／Rf，代入式（1），得閉環互阻增益理論值Arf＝－345.95kΩ。與仿真中按式（1）所求的－344.86kΩ相對誤差如表3所示。

圖2 反饋放大器微變等效電路

3.4 反饋放大器等效電路計算

在閉環狀態下，圖1的微變等效電路如圖2所示，注意到差分電路的對稱性，對圖2列寫節點方程

采用MATLAB編程，取Av2＝1，運行得各結點電位?？紤]到vo＝Av2v3＝v3，vi＝v1，則

與仿真中按定義所求的－344.27kΩ相對誤差見表3。

4 結論

以直流差分的信號輸入方式，采用方框圖分析方法，對直接耦合方式下的差分－共集電極結構的電壓并聯負反饋放大電路進行仿真分析，按定義求得開環和閉環的互阻增益，它們間滿足反饋放大器中的基本關系式Arf＝Ar／（1＋kfgAr）。理論上先求電壓增益再轉換方法，得到開環互阻增益；求解微變等效電路得到閉環互阻增益，它們同樣符合Arf＝Ar／（1＋kfgAr）關系。而理論與仿真對應電量的相對誤差都很小，說明它們的一致性。

［1］楊一軍，陳得寶，李素文，等.差分－運放電流串聯負反饋的理論計算與仿真分析［J］.合肥師范學院學報，2010，28（6）：29－30.

［2］楊一軍，陳得寶，毛培，等.差分－共射負反饋放大電路的理論計算與仿真［J］.淮北煤炭師范學院學報：自然科學版，2010，31（1）：19－21.