差分放大電路的分析

差分放大電路的分析一直是大家的弱項，很大一部分原因是差放的電路不僅是元器件的數(shù)量還是需要求解的技術(shù)指標(biāo)，都至少是之前學(xué)過的基本放大電路的兩倍。甚至連輸入信號都變成兩個，分析時還看成四個。是不是有要裂開的感覺~~~

今天我們不著急解題，而是先從差分信號和差放電路的來源講起，只有了解它、試著喜歡上它，才能更好地求解和分析它~~~

來源

放大器中輸入信號一般需要兩根線，一根是信號線，一根是地線，我們在實驗室中用函數(shù)信號發(fā)生器就是這樣操作的。這種信號在傳輸過程中，尤其是遠(yuǎn)距離傳輸過程，不可避免會受到外界電場的干擾，這些干擾信號和實際傳輸信號都會同時被放大器放大，使得輸出端提取信號非常困難。

科學(xué)家們想出了一個辦法，就是將單端信號改成差分信號(Differential Signal)，也就是把輸入端的兩根線，一根作為正信號線，另一根作為負(fù)信號線，這兩根線上的信號幅度相同，相位相反。

定義1：兩根信號線之間的差值信號稱為差模信號(Differential Mode Signal)，用vd表示

在傳輸過程中，我們將兩根信號線用雙絞線的形式緊密纏繞在一起，在信號傳輸過程中，我們相信兩根線受到的干擾是相同的，那么此時，差分信號就是待測的有用信號，兩根線上幅度相同，方向也相同的信號就是干擾信號。

定義2：兩根信號中共有的信號稱為共模信號(Common Mode Signal)，用vc表示

含有差模和共模的差分信號可以表示為：

從中，可以得到以下表達(dá)式：

可知，共模信號實際上是兩個信號的平均值

引入差分信號的形式，實際上希望放大器能對這兩類信號差別對待，希望能放大有用的差模信號，而抑制我們不需要的共模干擾信號。

而完全對稱的差分放大器就是為了實現(xiàn)這個目的而設(shè)計的。用雙倍的元件換取對共模信號的抑制。

差分放大電路中最巧妙的地方

要說差放中最巧妙的地方就是兩管公共射極的電阻REE（如果是恒流源式差放，那就是恒流源的交流等效電阻ro）

由于REE對差模信號和共模信號的不同表現(xiàn)，這才實現(xiàn)了差放對差模信號放大，對共模信號抑制的"偉大使命"????????~

而也正是由于這樣的使命，差模分析是為了表征放大器的性能，而共模分析則是為了表征對干擾的抑制能力。

靜態(tài)

長尾式差放的靜態(tài)工作點突破口在完全對稱的輸入回路

帶恒流源的差分放大電路的突破口是恒流源的輸出電流

如果恒流源的輸出電流沒有提供，則需要先求出這個電流（*＾-＾*）

動態(tài)

由于差放電路兩邊完全對稱，因此分析差放的關(guān)鍵就是如何分別在差模輸入和共模輸入時，畫出半電路的交流通路，進(jìn)而確定其各項性能指標(biāo)

畫半電路交流通路的關(guān)鍵在于對公共元件REE和負(fù)載RL的處理，具體如下：

差分放大電路有四種輸入輸出方式，但性能特點只跟輸出方式有關(guān)，跟輸入方式無關(guān)，于是可分兩大類進(jìn)行比較，下表以帶恒流源的電路為例，長尾式式可以將ro用REE替換即可。

理論已經(jīng)介紹完，接下來上例題嘍

分層例題推送時間

基礎(chǔ)篇為小學(xué)分模電的難度，進(jìn)階篇是3.5學(xué)分模電的難度，提優(yōu)篇是考研試卷難度

01

基礎(chǔ)篇

例1：差分放大電路如下圖所示，已知兩管的參數(shù)為：β=60，VBE=0.7V，rbb'忽略不計。

（1）求靜態(tài)工作點ICQ1、ICQ2、VCEQ1和VCEQ2

（2）求差模輸入電阻和差模輸出電阻，差模增益和共模抑制比

（3）若輸入信號的有效值VI1=100mV，VI2=50mV,求輸出電壓的有效值

解：

THE ANSWER

（1）靜態(tài)分析：直流通路如下

由紅色的輸入回路得：

忽略RB1上的電壓，

VCEQ1=VCC-(-VBE)=15.7V

于是:

VCEQ2=VC2-(-VBE)=5.8V

(2) 差模輸入下的半電路如下：

于是可以得到相應(yīng)的差模性能指標(biāo)：

共模輸入下的半個電路如下：

從而得到共模抑制比：

（3）

? ??

02

進(jìn)階篇

例2：電路如下圖所示，已知各管的β值均為50，VBE=0.7,rbb'都是200歐姆。

（3）若R1增大，差模增益和差模輸入電阻將如何變化？

解：

THE ANSWER

由于是雙端輸出，共模增益為零，所以

恒流源在差模分析中等效短路，于是差模的半個電路為：

三極管小信號模型中的rbe需要差放靜態(tài)電流，所以先得得到恒流源的直流輸出電流：

從而得到三極管的輸入電阻

于是差模增益為：

從而得到輸出電壓信號：

（2）電路既有直流小信號輸入，又有交流小信號輸入，需要分開計算

因此，輸出電壓為vo1和vo2的疊加，波形圖如下：

（3）R1電阻阻值的變化會引起恒流源輸出電流的變化，從而影響了三極管的輸入電阻rbe，進(jìn)而影響差模的性能指標(biāo)。

? ?

插入一個搶答題

如果(1)中輸入信號vi2正弦波的幅度值改為1V，那么大家猜一猜輸出電壓會是什么波形呢？留言區(qū)說出你們的想法吧????????

留言區(qū)見

03

提優(yōu)篇

單級差放的知識點并不多，也考不到多難的題目，在期末或是研究生試卷中更多會是以綜合題的形式出現(xiàn)，比如多級放大電路，例題可以參考“考題精講|多級放大電路的動態(tài)分析”中的進(jìn)階篇和提優(yōu)篇。

還有就是跟負(fù)反饋結(jié)合，分析負(fù)反饋的類型和負(fù)反饋的引入，以及負(fù)反饋的近似計算。這可以到鏈接“放大電路中的負(fù)反饋引入”。

這里舉一道浙大的期末考試題，是差放和功放級聯(lián)的綜合題

例3：

解：

THE ANSWER

（1）【由于是阻容耦合，兩級的靜態(tài)工作點互相獨(dú)立，將第二級斷開后，第一級的靜態(tài)分析和例1完全一樣】

（2）【第一級差放的負(fù)載是第二級的輸入電阻，已知條件中已經(jīng)給定第二級的輸入電阻為3kΩ，要注意差放是從T2管子輸出，所以差模增益是半個電路增益的負(fù)二分之一】差模的半個電路如下：

（3）【第二級是甲乙類功率放大器，功放管需要一對完全對稱的NPN管和PNP管，這里用復(fù)合管實現(xiàn)】

（4）【甲乙類功放的工作原理可以鏈接“甲乙類功率放大器的分析”】

出現(xiàn)交越失真，說明T3、T4基極間的電壓不足，所以可以調(diào)大R2的阻值

（5）【第二級是一個雙電源供電的甲乙類功放，輸出功率和效率的公式可以參考“乙類功率放大器的分析”】

審核編輯：劉清