線性差分放大電路的工作原理分析

1、工作原理分析

線性差分放大電路如下圖所示，元器件表如表1.7所示，理想差分放大電路僅對兩信號差值進(jìn)行放大，而對兩輸入端的共模信號進(jìn)行抑制，放大增益通過電阻RG進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1.69 線性增益差分放大電路

表1.7 線性增益差分放大電路仿真元器件列表

對上圖電路應(yīng)用疊加原理和“虛短”概念，整理得到輸出電壓表達(dá)式如下：

1、偏置點分析：Bias Point

利用偏置點分析計算小信號電壓增益，仿真設(shè)置如下圖所示。

圖1.70 差模輸入偏置點仿真分析設(shè)置

差模偏置點仿真分析結(jié)果：

小信號特性：

2、瞬態(tài)仿真分析：Time Domain

圖1.71 瞬態(tài)仿真分析設(shè)置

對電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，將共模信號VC幅值設(shè)置為0，仿真設(shè)置如圖1.71所示，仿真時間2ms、最大步長5us，仿真結(jié)果如圖1.72所示。

圖1.72 輸入和輸出電壓波形

圖1.72為瞬態(tài)仿真波形，V(IN2,IN1)為等效輸入電壓波形，V(VOUT)為輸出電壓波形。

即輸入信號放大100倍。從圖1.72可得，當(dāng)輸入信號為0.1V峰值時，輸出電壓峰值約為10V，差分電路實現(xiàn)100倍放大功能，計算與仿真一致。

對電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，將差模信號VD幅值設(shè)置為0，共模信號VC設(shè)置為1V，仿真設(shè)置如圖1.71所示，仿真結(jié)果如圖1.73所示。

圖1.73輸出電壓波形

圖1.73為瞬態(tài)仿真波形，V(VOUT)為輸出電壓波形。

3、交流仿真分析：AC Sweep

圖1.74 交流仿真分析設(shè)置：差模輸入VD的AC=0.1、共模輸入VC的AC=0

對電路進(jìn)行交流仿真分析，如圖1.74所示，頻率范圍1Hz—3megHz，每十倍頻20點；仿真結(jié)果如圖1.75所示。

圖1.75 輸出電壓波形

當(dāng)電阻RFv=10k時輸出電壓；計算值與圖1.75中仿真結(jié)果一致，但是由于該電路放大倍數(shù)為100，所以帶寬相對比較窄。

4、直流仿真分析：DC Sweep線性增益控制

圖1.76 直流仿真分析設(shè)置：差模輸入VD的DC=0.1，共模輸入VC的DC=0

當(dāng)差模輸入直流電壓為0.1V、共模輸入為0時，對電路進(jìn)行直流仿真分析，仿真設(shè)置如圖1.76所示，電阻RG的阻值從1k線性增大至10k，則放大倍數(shù)從10線性增大至100，從而輸出電壓從1V線性增大至10V，仿真結(jié)果如圖1.77所示，仿真與計算一致。

圖1.77 電阻RG線性變化時輸出電壓特性曲線

圖1.78 電阻RG線性變化時V(VOUT)/V(VD)特性曲線

5、直流和最壞情況仿真分析：DC Sweep、Worst case

圖1.79 最壞情況仿真設(shè)置

圖1.80 最壞情況輸出設(shè)置：輸出最大值

直流和最壞情況仿真設(shè)置如圖1.79和圖1.80所示，輸出最大值仿真結(jié)果如下：

當(dāng)VD=0.1V直流時輸出最大值為13.362V；此時R2、R3、R5取-5%容差，R1、R4、RG取+5%容差。

圖1.81 最壞情況輸出設(shè)置：輸出最小值

直流和最壞情況仿真設(shè)置如圖1.79和圖1.81所示，輸出最小值仿真結(jié)果如下：

當(dāng)VD=0.1V直流時輸出最小值為6.7523V；此時R2、R3、R5取+5%容差，R1、R4、RG取-5%容差。

只需調(diào)節(jié)單電阻RG即可線性調(diào)節(jié)電路放大倍數(shù)，但是普通差分放大電路需要調(diào)節(jié)R2和R4雙電阻，而且兩電阻值必須完全相同，所以可調(diào)線性增益放大電路在增益調(diào)節(jié)方面具有很大優(yōu)勢。當(dāng)電阻容差均為5%時，普通差分放大電路輸出電壓變化量約為，但是可調(diào)增益差分放大電路輸出電壓變化量卻為，所以設(shè)計電路時需要綜合考慮，取長補短。

2、附錄——關(guān)鍵仿真器件模型