1. 差分放大器与共模抑制比

1.1差分放大器

差分放大器有两个输入端和一个输出端，它可以获取两个输入电压之间的差值，并将这个差值放大后送到输出端，差分放大器的模型如下：

输入电压vi1,vi2v_{i1}, v_{i2}vi1,vi2与输出vov_ovo的关系为：
vo=Ad(vi1−vi2)v_o=A_d(v_{i1}-v_{i2})vo=Ad(vi1−vi2)
其中AdA_dAd是差分放大器的放大倍数

对于一个理想的差分放大器，如果一个信号同时加给放大器的两个输入端，则vi1=vi2→vo=0v_{i1}=v_{i2}\rightarrow v_o=0vi1=vi2→vo=0
这种同时出现在两个输入端的信号叫做共模信号（common mode signal）

可惜的是，实际中的共模信号仍然会产生一个很小的输出电压，如何区分一个差分放大器的好坏，就看它能不能在接收到不同信号时提供高增益，而在收到共模信号时提供低增益，不同信号对应增益的比值就是共模抑制比（CMRR），因此，一个差分放大器的品质可以用它的共模抑制比来表示

有一点要注意的是，共模信号vicv_{ic}vic在两个输入端的差值并不是vi1−vi2v_{i1}-v_{i2}vi1−vi2，而是vi1+vi22\frac{v_{i1}+v_{i2}}{2}2vi1+vi2，既两个输入端电压的平均值

了解了差分放大器的功能后，我们来看一看差分放大器可以用来干什么。
在实际应用中，我们常常需要放大一些很微弱的交流电信号，但是很多不必要的干扰信号（噪声），可能也会被放大器捕获并彻底掩盖我们真正想要得到的信号。假如我们使用差分放大器来处理信号，由于被捕获的干扰信号在两个输入端一般是一致的，所以干扰信号会被认定为是共模信号，而我们需要的信号则通常是交流差模信号。因此，只有我们想要的信号会被放大，可以很好地提升信噪比。

举个例子，我们输入一个交流信号时，vi1=50μV,vi2=−vi1=−50μVv_{i1}=50\mu V, v_{i2}=-v_{i1}=-50\mu Vvi1=50μV,vi2=−vi1=−50μV
此时我们可以得到差模输出电压为vi1−vi2=100μVv_{i1}-v_{i2}=100\mu Vvi1−vi2=100μV
而此时的共模输出电压为vi1+vi22=0μV\frac{v_{i1}+v_{i2}}{2}=0\mu V2vi1+vi2=0μV

假如此时出现噪声，导致输入两端的电压都增加了1000μV1000\mu V1000μV，此时的差模输出电压不会改变，仍为vi1−vi2=100μVv_{i1}-v_{i2}=100\mu Vvi1−vi2=100μV，这就避免了噪声干扰

下图可以帮助我们更直观的看到差分放大器的效果：

上面第一幅图是普通的放大器，可以看到干扰信号VnV_nVn和我们需要的信号VsV_sVs一起被放大了，使得输出信号VoV_oVo充满噪声

第二幅图是差分放大器，可以看到输入端两个信号的差值正好是我们需要的信号VsV_sVs，所以输出的结果不含干扰信号VnV_nVn，是信噪比非常低的信号

1.2 共模抑制比

一个差分放大器的共模抑制比代表了这个放大器的品质
它能告诉我们这个放大器可以多好地避免共模信号(CM)影响到我们想要的差分信号(DM)
我们定义共模抑制比的计算方式为：
CMRR=ρ=∣AdAc∣CMRR=\rho=|\frac{A_d}{A_c}|CMRR=ρ=∣AcAd∣
其中AdA_dAd是差分信号对应的增益，AcA_cAc是共模信号对应的增益
共模抑制比越大，差分放大器的品质就越好

2. 长尾式差分放大电路以及它的交流/直流分析

上图是一个标准的长尾式差分放大电路

2.1 DC分析

对电路做直流分析时，我们要假设两个AC输入信号vi1,vi2v_{i1}, v_{i2}vi1,vi2为0，此时两个晶体管基极电压都为0，而正向偏置的基极-射电极二极管压降约为0.6V，因此，通过电阻RER_ERE的电流为：
Io=VEE−0.62REI_o=\frac{V_{EE}-0.6}{2R_E}Io=2REVEE−0.6
在长尾式差分放大电路中，两个晶体管Q1,Q2Q_1,Q_2Q1,Q2是完全一样的，因此，流过的电流也相同，根据KCL，可以得到晶体管的电流为：
ICQ=VEE−0.62REI_{CQ}=\frac{V_{EE}-0.6}{2R_E}ICQ=2REVEE−0.6

接着，我们需要用KVL对电路进行分析：

可以看到，这里增加了两个电阻RS1,RS2R_{S1}, R_{S2}RS1,RS2，虽然图上不太直观，但Vi1,Vi2V_{i1}, V_{i2}Vi1,Vi2下面是GND，实际上与最右边电源处的GND是相连的，因此构成如图所示的两个回路：

对这两个回路应用KVL，得到如下关系式：

对于这个电路，放大器两边的电阻，电流，电压应该是对称的，即：

这样之前用KVL得到的两个方程就可以化简成一个：

接着，根据IE=IC+IB=(β+1)IBI_E=I_C+I_B=(\beta+1)I_BIE=IC+IB=(β+1)IB，我们可以用IEI_EIE代替式子中的IBI_BIB，得到：

在实际中，几乎可以确定的是2(β+1)RE>>RS2(\beta+1)R_E>>R_S2(β+1)RE>>RS，因此可以将RSR_SRS消去：

这个方程确定了我们在最早得出的结果，但它也说明了关系式的成立需要哪些条件

注意，流过两个晶体管的电流与电阻RCR_CRC没有关系，RCR_CRC只是确保三极管不会在电压摇摆时饱和

2.2 AC分析

作AC分析前，我们先画出等效电路图，如下所示：

2.2.1 共模输入电阻

对于共模信号，输入电压vi1,vi2v_{i1}, v_{i2}vi1,vi2被认为来自同一个电源viv_ivi，此时的电路图如下：

viv_ivi产生的总电流为ib1+ib2=iii_{b1}+i_{b2}=i_iib1+ib2=ii
对vi,RE,vπv_i, R_E, v_\pivi,RE,vπ围绕的环路作KVL，可以得到：
vi=vπ+vREv_i=v_\pi+v_{RE}vi=vπ+vRE
vi=iirπ2+(βib1+βib2+ib1+ib2)REv_i=i_i\frac{r_\pi}{2}+(\beta i_{b1}+\beta i_{b2}+i_{b1}+i_{b2})R_Evi=ii2rπ+(βib1+βib2+ib1+ib2)RE
vi=iirπ2+ii(1+β)REv_i=i_i\frac{r_\pi}{2}+i_i(1+\beta)R_Evi=ii2rπ+ii(1+β)RE
ri(common)=viii=rπ2+(1+β)REr_i(common)=\frac{v_i}{i_i}=\frac{r_\pi}{2}+(1+\beta)R_Eri(common)=iivi=2rπ+(1+β)RE

2.2.2 共模电压增益

假设流经RCR_CRC的电流为iC2i_{C2}iC2，如图：

可以得到：

注意，只有穿过三极管Q2的电流会流经RCR_CRC

电阻RCR_CRC两端的电压就是输出电压，为：

用输出电压vov_ovo除以输入电压viv_ivi,可以得到共模增益Av(CM)A_v(CM)Av(CM)为：

从上式中我们可以看出，RER_ERE越大，共模时的电压增益就越小

2.2.3差分输入电阻

对于差模信号，vi1=−vi2v_{i1}=-v_{i2}vi1=−vi2，且ib1=−ib2i_{b1}=-i_{b2}ib1=−ib2，等效电路如下：

此时vi1,vi2v_{i1}, v_{i2}vi1,vi2产生的增益后的电流会互相抵消，通过RER_ERE的电流不变？？？，点P的电势也不会改变

可以观察到，输入电阻为2rπ=2βgm=β20ICQ2r_{\pi}=\frac{2\beta}{g_m}=\frac{\beta}{20I_{CQ}}2rπ=gm2β=20ICQβ
因此，较低的ICQI_{CQ}ICQ可以增大输入电阻

2.2.4 差分电压增益

因为施加在两个三极管基极的电压大小相等，方向相反，P点的电势保持它在直流时的值？？？
输出电压为：
？？？
则电压增益为vo/viv_o/v_ivo/vi等于

注意这里只能算半个共发射极放大电路（CE），因为输入信号被平分给了两个三极管，只有一半给了CE，也只有施加给Q2的信号才会对流经RCR_CRC的输出电流有影响

2.2.5 小结

2.2.5.1 共模

输入电阻

电压增益

2.2.5.2 差模

输入电阻

电压增益

2.2.5.3 共模抑制比

2.2.5.4 技术总结

为了减小共模电压增益，我们需要增大RER_ERE
为了增大差模电压增益，我们需要增大RCICQR_CI_{CQ}RCICQ（但不能超过VCCV_{CC}VCC）
为了增大共模输入阻抗，我们需要增大RE,βR_E, \betaRE,β
为了增大差模输入阻抗，我们需要减小ICQI_{CQ}ICQ，增大β\betaβ

3. 设计差分放大器

在2.2.5.4中，我们了解了差分放大器的一些设计要点，并且知道一个优秀的设计应该尽量增大RE,RCICQ,βR_E, R_CI_{CQ}, \betaRE,RCICQ,β
我们有以下几种方式增大β\betaβ

超增益晶体管
用一对晶体管连接在输入上形成达林顿对
用场效应晶体管取代双极晶体管，这会在电流镜中提到

在增大RER_ERE上，最好的方法是将RER_ERE替换为一个不变的电流源（一个完美的电流源理论上拥有无限大的电阻），而三极管的输出特性与一个不变的电流源非常接近，因此我们可以用一个三极管来代替RER_ERE，得到的电路图如下：

电子电路：差分放大器分析相关推荐

数字电路模拟电路先学哪个_国外经典电子资料：电子电路分析与设计
学习电子一定会从电子学的基本概念开始,以模拟电路和数字电路为基础,逐渐了解掌握各种电路的设计方法. <国外经典电子资料:电子电路分析与设计> 内容包括半导体材料.器件(二极管.三极管.场效 ...
模拟电子技术不挂科学习笔记3（放大电路的分析方法）
文章目录一.放大电路基础(2~4分) 二.放大电路的分析方法(10分) 写在最后一.放大电路基础(2~4分) 1.放大电路基础知识 2.放大电路基础例题二.放大电路的分析方法(10分) 1.放大 ...
电子电路分析与设计:数字电子技术_电子电路分析浅谈
电子电路图分析说起电路分析,可以说对维修.调试有着重要的作用,有的人靠的是日积月累的经验值,也有人靠的是产品电路硬件组成然后进行分析哪块电路故障后进行更换,可以说这是一种很捷径的方式,维修效率高而快 ...
通信电子电路(2)---使用multisim分析电路小技巧、晶体管等效电路
(这里只用multisim分析模拟电路.分析数字电路,参考<数字电子技术>的范例,Floyd著) RLC电路瞬态分析在瞬态分析中设置参数如下,输出参数为信号源两端和R2两端的电压输出结 ...
电子电路和芯片中的各种xVDD和xVCC和xVss的具体的分析
电子电路和芯片中的各种xVDD和xVCC和xVss的具体的分析在电路和芯片中,我们总是能看到各种VDD.VCC.VSS这些东西,所以对于开始学或者在设计PCB电路的时候,这些引脚的参数很容易迷惑我们 ...
电子电路分析与设计:数字电子技术_红外气体传感器电子电路设计
简介: 热释电探测器用于探测红外信号的变化.本应用说明给出了SGX Sensortech红外气体传感器所用电子电路的设计指南.这些信息用于一般建议,应注意使电路适应应用的特殊要求.通过遵循本应用说明的 ...
模拟电子技术经验公式-放大电路的分析方法
放大电路的分析方法耦合的意思是连接直接耦合放大电路的静态工作点与信号源内阻和负载电阻有关阻容耦合静态工作点与信号源内阻和负载电阻无关先静态分析,再动态分析静态工作点是四个物理量:基极电流,集 ...
关于西安电子科技大学821电路的难点辨析（二）---电阻电路的分析方法
电阻电路的分析方法 KCL和KVL定理 2b法 b法(支路电压.电流法) 回路法和网孔法理想电流源(包括受控源)的处理割集法节点法理想电压源(包括受控源)处理叠加定理齐次定理置换定理等 ...
计算机没有autoCAD_挑战在一年内用晚上业余时间学会灵活运用CAD（1）|cad|autocad|图学|计算机|电子电路...
本人2016年大学毕业,在天津做环境检测,2018年起回家在一个四线的小县城做同样的工作,每日风里来雨里去,没有加班费,累的要死工资还到不了五千,还要养家. 今年七月份因为劳累得了腰间盘突出,简单找中 ...

电子电路：差分放大器分析

1. 差分放大器与共模抑制比

1.1差分放大器

1.2 共模抑制比

2. 长尾式差分放大电路以及它的交流/直流分析

2.1 DC分析

2.2 AC分析

2.2.1 共模输入电阻

2.2.2 共模电压增益

2.2.3差分输入电阻

2.2.4 差分电压增益

2.2.5 小结

2.2.5.1 共模

输入电阻

电压增益

2.2.5.2 差模

输入电阻

电压增益

2.2.5.3 共模抑制比

2.2.5.4 技术总结

3. 设计差分放大器

电子电路：差分放大器分析相关推荐

最新文章

热门文章