差分放大電路的基本原理 差分放大電路如何抑制共模電壓

在CML電路中，差分輸入和差分輸出電路都使用了電流源進(jìn)行偏置，目的是為了在提高共模電壓抑制比的同時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定的直流工作點(diǎn)。具體原理將在本文簡(jiǎn)述。

1. 差分放大電路的基本原理

基本的三極管放大電路如圖1所示，由于三極管自身特性原因，在三極管放大電路中，存在溫度漂移現(xiàn)象，在多級(jí)放大電路中，若不對(duì)溫漂進(jìn)行抑制，溫漂造成的誤差就會(huì)一級(jí)一級(jí)放大，導(dǎo)致整個(gè)放大電路無(wú)法正常工作，差分放大電路由此引入。

圖1 三極管放大電路

實(shí)際上，在圖1 的電路中，發(fā)射極電阻Re就有克服溫漂的作用，當(dāng)溫度上升導(dǎo)致基極電流上升時(shí)，集電極電流隨之變大，Re上的壓降也隨之增大，從而使be間的壓降減小，基極電流隨之降低。這是一個(gè)負(fù)反饋的過(guò)程，負(fù)反饋的效果和反饋深度相關(guān)，顯然，這個(gè)系統(tǒng)中，Re的值越大，負(fù)反饋的效果越好。但是，Re的增大帶來(lái)后果是Re上的壓降會(huì)增大，從而導(dǎo)致三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)上移，三極管的放大能力就收到了影響，在不想損失三極管放大能力的基礎(chǔ)上克服溫漂問(wèn)題，使用差分放大電路就成了一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

圖2 差分放大電路

差分放大電路如圖2所示，電路使用完全對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)，用一對(duì)三極管放大電路輸出的差作為輸出，有效解決了溫漂問(wèn)題。原理如下：當(dāng)溫漂產(chǎn)生時(shí)，由于三極管放大電路對(duì)的電路參數(shù)完全一致，所以溫漂對(duì)兩者產(chǎn)生的影響也是一樣的，這樣一來(lái)，輸出的變化避讓也是相同的，使用兩者的輸出的差做為電路的輸出，即可有效地過(guò)濾溫漂的影響。

2. 差分放大電路如何抑制共模電壓

將差分放大電路的Re合二為一，即可得到如圖三所示的長(zhǎng)尾式差分放大電路。所謂共模信號(hào)，即是指大小相等，極性相同的信號(hào)，差模信號(hào)則是大小相等，極性相反的一組信號(hào)。在差分放大電路中，若輸入共模信號(hào)由于兩者的作用是相同的，Vout+和Vout-的變化也相同，導(dǎo)致Vout不受影響（理想情況），從而抑制了共模信號(hào)的放大，溫度就是一種共模信號(hào)。實(shí)際上，電路參數(shù)總是存在差異，所以，放大電路一般會(huì)用共模抑制比來(lái)表征電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，共模抑制比越大，電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力越強(qiáng)。

圖3 長(zhǎng)尾式差分放大電路

3.為什么要使用偏置電流源取代發(fā)射極電阻Re

圖4 使用電流源偏置的差分放大電路

使用電流源偏置的差分放大電路如圖4所示，CML電路中使用的就是這種電路。使用電流源偏置的差分放大電路有兩個(gè)好處，一是提高共模抑制比，二是給電路提供一個(gè)穩(wěn)定的直流工作點(diǎn)，原理如下：

前述，Re阻值越大，電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力越強(qiáng)，電流源的阻抗是很大的，在電路分析中，常把電流源視作開(kāi)路處理。因此，電流源的阻抗能給電路帶來(lái)極強(qiáng)的共模制能力，提高電路的共模抑制比。從另一個(gè)角度說(shuō)，電流源的電流是固定的，溫漂造成的基極電流放大無(wú)法導(dǎo)致輸出集電極電流的變化，從而抑制的共模信號(hào)的影響。另一方面，電流源不會(huì)影響放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，由于集電極電流約等于發(fā)射極電流，而發(fā)射極電流是固定的，因此，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)便是穩(wěn)定的。