李然 岳永哲

摘要：差分放大電路是模擬電路學(xué)習(xí)中常用到的放大電路，其抑制零點(diǎn)飄移的良好電氣特性，使它經(jīng)常被用作多級(jí)放大電路的輸入級(jí)。本文通過(guò)對(duì)差分電路的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)分析及仿真，讓學(xué)生能夠?qū)Σ罘址糯箅娐酚猩钊氲牧私狻?/p>

關(guān)鍵詞：零點(diǎn)漂移；差分放大；仿真分析

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）09-0246-01

1 引言

當(dāng)今世界之所以能稱之為智能化的時(shí)代，是由于各種智能化的設(shè)備得到了普及，而這些智能化設(shè)備之所以能夠智能化，離不開功能各異的各種傳感器，而這些傳感器所采集到的電信號(hào)一般都很微弱，同時(shí)這些微弱的電信號(hào)往往不是周期性的，所以對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大處理時(shí)，需要采用直接耦合放大電路進(jìn)行放大，所謂直接耦合即輸入信號(hào)引入放大電路及放大電路與其負(fù)載的連接都是靠導(dǎo)線直接連接，因此直接耦合連接方式有很好的低頻特性同時(shí)又很容易做成集成電路。直接耦合放大電路雖然有以上幾大優(yōu)勢(shì)，但普通的直接耦合放大電路存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，所謂“零點(diǎn)漂移”，就是當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)面輸入信號(hào)不為零。差分放大電路是一種直接耦合放大電路，差分電路本身具有良好的電氣對(duì)稱性，使其對(duì)模性號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用，所以能有效地抑制零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的發(fā)生。

2 差分放大電路抑制溫漂的原理分析

零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的產(chǎn)生，其原因有很多，但最為主要的原因還是晶體管受到外部溫度變化所引起的靜態(tài)工作點(diǎn)的波動(dòng)，所以零點(diǎn)漂移也常被稱為溫度漂移，簡(jiǎn)稱溫漂。那差分放大電路是如何做到抑制溫漂的呢？

圖1所示電路為長(zhǎng)尾差分放大電路，當(dāng)兩端的輸入信號(hào)電壓uI1=uI2=0時(shí)，也就是電路處于完全的直流分量控制靜態(tài)狀態(tài)，因?yàn)門1與T2管的電氣特性完全相同，其外接電阻參數(shù)也都相同，那么就有集電極對(duì)地電位UCQ1=UCQ2的結(jié)果，所以靜態(tài)時(shí)的輸出電壓UO=0。如果外界溫度升高了，ICQ1和ICQ2也會(huì)同時(shí)增大，而且其增大幅度完全相同，從而導(dǎo)致兩個(gè)集電極電阻上的壓降出現(xiàn)等值幅度的增大，進(jìn)而使UCQ1和UCQ2同時(shí)等值幅度變小，所以輸出UO=UCQ1–UCQ2=0保持不變。如果外界溫度降低了，將會(huì)引起上述變化的一個(gè)反過(guò)程，最后得到的結(jié)果還是輸入電壓保持不變。經(jīng)過(guò)上述分析，我們發(fā)現(xiàn)差分電路巧妙地利用電路的對(duì)稱性消除了放大電路在輸出端的零點(diǎn)漂移。

3 差分放大電路的靜態(tài)仿真分析

圖2所示電路為差分電路的靜態(tài)仿真電路。從圖中的仿真結(jié)果我們可以看出，差分電路的基極到地電位很低，只有幾mV，所以在近似估算時(shí)往往忽略掉基極電阻上的壓降。

于是有：

圖2所示電路的輸出端并沒(méi)有接入負(fù)載電阻RL，那如果在圖中加入負(fù)載電阻，其靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)否產(chǎn)生變化？從傳真結(jié)果中我們可以看到UC1=UC2，所以即便接上負(fù)載電阻，那負(fù)載上也不會(huì)有電流流過(guò)，因此接入負(fù)載與否對(duì)圖示電路的靜態(tài)工作點(diǎn)無(wú)任何影響。

4 差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析與仿真

差分放大電路的交流輸入信號(hào)有兩種，一種稱之為“差模信號(hào)”，另一種稱之為“共模信號(hào)”。共模信號(hào)是指兩個(gè)輸入端所加入的信號(hào)無(wú)論大小還是極性都相同。在共模信號(hào)作用下， 由于差分電路參數(shù)的對(duì)稱性，兩個(gè)晶體管的集電極電流的變化幅度及變化方向均相同，導(dǎo)致集電極電位的變化量和變化方向也都相同，因此差分電路的輸出電壓的變化量ΔuO=ΔuC1–ΔuC2=0。經(jīng)過(guò)以上的推理分析，我們可以得出這樣的結(jié)論：差分放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。

差模信號(hào)是指兩個(gè)輸入端所加的信號(hào)只是在大小上相等但極性卻是相反的。在差模信號(hào)的作用下，由于差分電路參數(shù)的對(duì)稱性，兩個(gè)晶體管的集電極電流的變化幅度相等，但它們的變化方向相反，導(dǎo)致集電極電位的變化量相等而變化方向也相反的變化，即ΔuC1= –ΔuC2，因此差分電路的輸出電壓的變化量ΔuO=ΔuC1–ΔuC2=2ΔuC1。所以在輸入差模信號(hào)的作用下，輸出電壓的變化幅度是每個(gè)晶體管集電極電位變化幅度的兩倍，這就證明了差分放大電路對(duì)所輸入的差模信號(hào)是有很強(qiáng)的放大作用。

圖3所示的差分電路中加入了有效值為10mV的差模信號(hào)，仿真結(jié)果得到兩個(gè)輸出端的輸出電壓基本都將近600mV，而且我們?cè)趫D4的仿真輸出波圖中可以看到，這兩個(gè)輸出端的信號(hào)相位正好相反，所以我們得到的輸出電壓值近似為1200mV，可見(jiàn)差分放大電路，對(duì)差模信號(hào)是有很強(qiáng)的放大作用的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)差分放大電路的分析與仿真，使學(xué)生對(duì)差分電路為何能夠有效地抑制溫漂？為什么差分放大電路能夠抑制共模信號(hào)而又對(duì)差模信號(hào)有放大作用等疑問(wèn)有了更深的體會(huì)，自然而然地就會(huì)很好的接受差分放大電路。

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