差分电路与Multisim仿真学习笔记

前言

今天写三种常见的差分放大电路：基本形式、长尾式、恒流源式

基本形式差分放大电路

下图为基本形式差分放大电路

下图左边为差模输入，右边为共模输入，其主要技术指标如下：

差模输入电压UId=UI1−UI2U_{Id}=U_{I1}-U_{I2}UId=UI1−UI2：两个输入电压大小相等，极性相反。
共模输入电压UIc=(UI1+UI2)/2U_{Ic}=(U_{I1}+U_{I2})/2UIc=(UI1+UI2)/2：两个输入电压大小相等，极性相同。
输入的任意电压可认为是某个差模输入电压与共模输入电压的组合。
差模电压放大倍数Ad=ΔUoΔUIdA_d=\frac{\Delta{U_o}}{{\Delta}U_{Id}}Ad=ΔUIdΔUo：越大越好
共模电压放大倍数Ac=ΔUoΔUIcA_c=\frac{\Delta{U_o}}{{\Delta}U_{Ic}}Ac=ΔUIcΔUo：越小越好
共模抑制比KCMR=20lg∣AdAc∣(dB)K_{CMR}=20lg|\frac{A_d}{A_c}|(dB)KCMR=20lg∣AcAd∣(dB)：KCMRK_{CMR}KCMR越大说明抑制零点漂移能力越强
仿真结果如下

参数设计与第一篇讲的是一样的，输出电压波形图如下图所示

长尾式差分放大电路

下图为长尾式差分放大电路

ReR_eRe作用是引入共模负反馈（即对共模输入有负反馈，对差模无），减小了AcA_cAc,，提高了共模抑制比。ReR_eRe越大，则抑制零漂效果越好，负电源VEEV_{EE}VEE用来补偿ReR_eRe的直流压降。引入ReR_eRe后，由VEEV_{EE}VEE提供基极电流，所以不接基极电阻RbR_bRb。
设计如下图所示

静态分析

输入电压为零时，β1=β2\beta_1=\beta_2β1=β2，rbe1=rbe2r_{be1}=r_{be2}rbe1=rbe2，R2=R4R_2=R_4R2=R4，R1=R3R_1=R_3R1=R3，所以静态基极电流、集电极电流、集电极电压、基极与发射极间电压都相等。
基极回路IBQ1R1+UBEQ1+2IEQR5=VEEI_{BQ1}R_1+U_{BEQ1}+2I_{EQ}R_5=V_{EE}IBQ1R1+UBEQ1+2IEQR5=VEE
取IBQ=40uAI_{BQ}=40uAIBQ=40uA，所以R1+2(1+β1)R5=12V−0.7V0.04mA=282.5kΩR_1+2(1+\beta_1)R_5=\frac{12V-0.7V}{0.04mA}=282.5k\OmegaR1+2(1+β1)R5=0.04mA12V−0.7V=282.5kΩ，取R1=R3=1kΩR_1=R_3=1k\OmegaR1=R3=1kΩ，R5=1kΩR_5=1k\OmegaR5=1kΩ。
设置R2=R4R_2=R_4R2=R4和R5R_5R5使静态基极电位对地在0V0V0V附近，取ICQ=5.6mAI_{CQ}=5.6mAICQ=5.6mA、UCQ=VCC/2=6VU_{CQ}=V_{CC}/2=6VUCQ=VCC/2=6V，则R2=R4=12V−6V5.6mA≈1.1kΩR_2=R_4=\frac{12V-6V}{5.6mA}\approx1.1k\OmegaR2=R4=5.6mA12V−6V≈1.1kΩ。

动态分析

由交流通路得ΔiB1=ΔuI1R1+rbe1\Delta{i_{B1}}=\frac{\Delta{u_{I1}}}{R_1+r_{be1}}ΔiB1=R1+rbe1ΔuI1
则ΔuC1=−β1ΔiB1(R2//R62)=−β(R2//R62)R1+rbe1ΔuI1\Delta{u_{C1}}=-\beta_1\Delta{i_{B1}}(R_2//\frac{R_6}{2})=-\frac{\beta(R_2//\frac{R_6}{2})}{R_1+r_{be1}}\Delta{u_{I1}}ΔuC1=−β1ΔiB1(R2//2R6)=−R1+rbe1β(R2//2R6)ΔuI1
同理可得ΔuC2\Delta{u_{C2}}ΔuC2，则输出电压Δuo=ΔuC1−ΔuC2=−β(R2//R62)R1+rbe1(ΔuI1−ΔuI2)\Delta{u_{o}}=\Delta{u_{C1}}-\Delta{u_{C2}}=-\frac{\beta(R_2//\frac{R_6}{2})}{R_1+r_{be1}}(\Delta{u_{I1}}-\Delta{u_{I2}})Δuo=ΔuC1−ΔuC2=−R1+rbe1β(R2//2R6)(ΔuI1−ΔuI2)
则差模电压放大倍数Ad=ΔuoΔuI1−ΔuI2=−β(R2//R62)R1+rbe1A_d=\frac{\Delta{u_{o}}}{\Delta{u_{I1}}-\Delta{u_{I2}}}=-\frac{\beta(R_2//\frac{R_6}{2})}{R_1+r_{be1}}Ad=ΔuI1−ΔuI2Δuo=−R1+rbe1β(R2//2R6)
差模输入电阻Rid=2(R1+rbe1)R_{id}=2(R_1+r_{be1})Rid=2(R1+rbe1)
输出电阻为Ro=2RcR_o=2R_cRo=2Rc
此电路差模电压放大倍数Ad=584mV20mV≈=29倍A_d=\frac{584mV}{20mV}\approx=29倍Ad=20mV584mV≈=29倍
输出电压波形图如下图所示

恒流源式差分放大电路设计

长尾式ReR_eRe的值受负电源VEEV_{EE}VEE大小的影响，为了不要求过高的负电源，采用三极管代替长尾电阻。下图为恒流源式式差分放大电路

1. 确定直流电源电压
这里选12V12V12V正电源和−12V-12V−12V负电源。
2. 确定R2R_2R2和R4R_4R4
静态集电极电流取ICQ1=ICQ2=4mAI_{CQ1}=I_{CQ2}=4mAICQ1=ICQ2=4mA。
静态集电极电位取正电源的一半UCQ1=UCQ2=VCC/2=6VU_{CQ1}=U_{CQ2}=V_{CC}/2=6VUCQ1=UCQ2=VCC/2=6V,则R2=R4=6V/4mA=1.5kΩR_2=R_4=6V/4mA=1.5k\OmegaR2=R4=6V/4mA=1.5kΩ。
3. 恒流电路的设计
取Q1Q_1Q1和Q2Q_2Q2的静态基极电位（对地）为零，则UCQ=−0.7V(对地)U_{CQ}=-0.7V(对地)UCQ=−0.7V(对地)。
取R5R_5R5的压降为2V，因为IEQ3=ICQ3=IEQ1+IEQ1=8mAI_{EQ3}=I_{CQ3}=I_{EQ1}+I_{EQ1}=8mAIEQ3=ICQ3=IEQ1+IEQ1=8mA，则R5=2V8mA=250ΩR_5=\frac{2V}{8mA}=250\OmegaR5=8mA2V=250Ω，取标称值电阻值240Ω240\Omega240Ω。
R6R_6R6和R7R_7R7确定方法和之前的共射放大电路一样，取标称电阻值得 R6=5.1kΩR_6=5.1k\OmegaR6=5.1kΩ和R7=36kΩR_7=36k\OmegaR7=36kΩ。
4. 确定R1R_1R1和R3R_3R3
R1R_1R1和R3R_3R3的值影响输入电阻，这里取R1=R3=1kΩR_1=R_3=1k\OmegaR1=R3=1kΩ。
C1C_1C1和C2C_2C2取10uF10uF10uF。
5. Multisim仿真验证
设置好参数进行仿真，如下图

此电路差模电压放大倍数Ad=2.593V50mV≈52倍A_d=\frac{2.593V}{50mV}\approx52倍Ad=50mV2.593V≈52倍
输出电压波形如下图所示

忙里偷闲完成一篇