差分放大電路的設(shè)計(jì)原理、組件選擇及電路配置

1. 引言

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，信號(hào)的精確放大和處理是至關(guān)重要的。差分放大電路因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如高共模抑制比（CMRR）、高輸入阻抗和低輸出阻抗，而在各種電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

2. 差分放大電路的基本原理

差分放大電路的核心原理是利用兩個(gè)輸入端之間的電壓差來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)。這種電路設(shè)計(jì)可以有效地抑制共模信號(hào)，即兩個(gè)輸入端同時(shí)出現(xiàn)的信號(hào)，而只放大差模信號(hào)，即兩個(gè)輸入端之間的電壓差。

2.1 差分放大電路的組成

差分放大電路通常由兩個(gè)晶體管、兩個(gè)電阻和電源組成。這兩個(gè)晶體管通常為雙極型晶體管（BJT）或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），它們共享一個(gè)公共的發(fā)射極或源極，分別連接到兩個(gè)輸入端。

2.2 差分放大電路的工作原理

當(dāng)兩個(gè)輸入端的電壓相等時(shí)，兩個(gè)晶體管的基極-發(fā)射極電壓（或柵極-源極電壓）也相等，導(dǎo)致兩個(gè)晶體管的集電極電流（或漏極電流）相等。在這種情況下，輸出端沒(méi)有電流流過(guò)，因此輸出電壓為零。

當(dāng)兩個(gè)輸入端的電壓不相等時(shí)，兩個(gè)晶體管的基極-發(fā)射極電壓（或柵極-源極電壓）也不同，導(dǎo)致兩個(gè)晶體管的集電極電流（或漏極電流）不同。這種電流差異會(huì)在輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓差，從而產(chǎn)生輸出信號(hào)。

2.3 差分放大電路的共模抑制比（CMRR）

共模抑制比（CMRR）是衡量差分放大電路抑制共模信號(hào)能力的一個(gè)重要參數(shù)。CMRR定義為差分放大電路放大差模信號(hào)的能力與放大共模信號(hào)能力的比值。高CMRR意味著電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力強(qiáng)，從而提高了信號(hào)的信噪比。

3. 差分放大電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的差分放大電路需要考慮多個(gè)因素，包括晶體管的選擇、電阻的匹配、電源的設(shè)計(jì)以及電路的布局。

3.1 晶體管的選擇

晶體管的選擇對(duì)差分放大電路的性能有重要影響。通常，選擇具有高跨導(dǎo)（g_m）和低輸入偏置電流的晶體管可以提高電路的增益和穩(wěn)定性。

3.2 電阻的匹配

電阻的匹配對(duì)差分放大電路的共模抑制比（CMRR）有重要影響。為了獲得高的CMRR，需要選擇具有高精度和低溫度系數(shù)的電阻。

3.3 電源的設(shè)計(jì)

電源的設(shè)計(jì)需要考慮電源紋波、電源電壓和電源電流等因素。為了獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)低紋波和高穩(wěn)定性的電源。

3.4 電路的布局

電路的布局對(duì)差分放大電路的性能也有重要影響。為了減少噪聲和干擾，需要合理布局電路，避免信號(hào)線和電源線的交叉，同時(shí)使用屏蔽和接地技術(shù)來(lái)減少電磁干擾。

4. 差分放大電路的配置

差分放大電路有多種配置方式，包括單端輸入差分放大電路、雙端輸入差分放大電路和差分放大電路的級(jí)聯(lián)配置。

4.1 單端輸入差分放大電路

單端輸入差分放大電路只有一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端接地。這種配置適用于需要單端輸入信號(hào)的應(yīng)用。

4.2 雙端輸入差分放大電路

雙端輸入差分放大電路有兩個(gè)輸入端，分別連接到兩個(gè)晶體管的基極（或柵極）。這種配置適用于需要雙端輸入信號(hào)的應(yīng)用。

4.3 差分放大電路的級(jí)聯(lián)配置

差分放大電路的級(jí)聯(lián)配置可以提高電路的增益和穩(wěn)定性。通過(guò)將多個(gè)差分放大電路級(jí)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)高增益和高穩(wěn)定性的信號(hào)放大。