差分電路與Multisim仿真學習筆記

前言

今天寫三種常見的差分放大電路：基本形式、長尾式、恆流源式

基本形式差分放大電路

下圖爲基本形式差分放大電路

下圖左邊爲差模輸入，右邊爲共模輸入，其主要技術指標以下：

• 差模輸入電壓\(U_{Id}=U_{I1}-U_{I2}\)：兩個輸入電壓大小相等，極性相反。
• 共模輸入電壓\(U_{Ic}=(U_{I1}+U_{I2})/2\)：兩個輸入電壓大小相等，極性相同。
• 輸入的任意電壓可認爲是某個差模輸入電壓與共模輸入電壓的組合。
• 差模電壓放大倍數\(A_d=\frac{\Delta{U_o}}{{\Delta}U_{Id}}\)：越大越好
• 共模電壓放大倍數\(A_c=\frac{\Delta{U_o}}{{\Delta}U_{Ic}}\)：越小越好
• 共模抑制比\(K_{CMR}=20lg|\frac{A_d}{A_c}|(dB)\)：\(K_{CMR}\)越大說明抑制零點漂移能力越強
  仿真結果以下
  
  參數設計與第一篇講的是同樣的，輸出電壓波形圖以下圖所示

長尾式差分放大電路

下圖爲長尾式差分放大電路

\(R_e\)做用是引入共模負反饋（即對共模輸入有負反饋，對差模無），減少了\(A_c\),，提升了共模抑制比。\(R_e\)越大，則抑制零漂效果越好，負電源\(V_{EE}\)用來補償\(R_e\)的直流壓降。引入\(R_e\)後，由\(V_{EE}\)提供基極電流，因此不接基極電阻\(R_b\)。
設計以下圖所示

靜態分析

輸入電壓爲零時，\(\beta_1=\beta_2\)，\(r_{be1}=r_{be2}\)，\(R_2=R_4\)，\(R_1=R_3\)，因此靜態基極電流、集電極電流、集電極電壓、基極與發射極間電壓都相等。
基極迴路\[I_{BQ1}R_1+U_{BEQ1}+2I_{EQ}R_5=V_{EE}\]
取\(I_{BQ}=40uA\)，因此\(R_1+2(1+\beta_1)R_5=\frac{12V-0.7V}{0.04mA}=282.5k\Omega\)，取\(R_1=R_3=1k\Omega\)，\(R_5=1k\Omega\)。
設置\(R_2=R_4\)和\(R_5\)使靜態基極電位對地在\(0V\)附近，取\(I_{CQ}=5.6mA\)、\(U_{CQ}=V_{CC}/2=6V\)，則\(R_2=R_4=\frac{12V-6V}{5.6mA}\approx1.1k\Omega\)。

動態分析

由交流通路得\[\Delta{i_{B1}}=\frac{\Delta{u_{I1}}}{R_1+r_{be1}}\]
則\[\Delta{u_{C1}}=-\beta_1\Delta{i_{B1}}(R_2//\frac{R_6}{2})=-\frac{\beta(R_2//\frac{R_6}{2})}{R_1+r_{be1}}\Delta{u_{I1}}\]
同理可得\(\Delta{u_{C2}}\)，則輸出電壓\[\Delta{u_{o}}=\Delta{u_{C1}}-\Delta{u_{C2}}=-\frac{\beta(R_2//\frac{R_6}{2})}{R_1+r_{be1}}(\Delta{u_{I1}}-\Delta{u_{I2}})\]
則差模電壓放大倍數\[A_d=\frac{\Delta{u_{o}}}{\Delta{u_{I1}}-\Delta{u_{I2}}}=-\frac{\beta(R_2//\frac{R_6}{2})}{R_1+r_{be1}}\]
差模輸入電阻\[R_{id}=2(R_1+r_{be1})\]
輸出電阻爲\[R_o=2R_c\]
此電路差模電壓放大倍數\(A_d=\frac{584mV}{20mV}\approx=29倍\)
輸出電壓波形圖以下圖所示

恆流源式差分放大電路設計

長尾式\(R_e\)的值受負電源\(V_{EE}\)大小的影響，爲了避免要求太高的負電源，採用三極管代替長尾電阻。下圖爲恆流源式式差分放大電路

1. 肯定直流電源電壓
這裏選\(12V\)正電源和\(-12V\)負電源。
2. 肯定\(R_2\)和\(R_4\)
靜態集電極電流取\(I_{CQ1}=I_{CQ2}=4mA\)。
靜態集電極電位取正電源的一半\(U_{CQ1}=U_{CQ2}=V_{CC}/2=6V\),則\(R_2=R_4=6V/4mA=1.5k\Omega\)。
3. 恆流電路的設計
取\(Q_1\)和\(Q_2\)的靜態基極電位（對地）爲零，則\(U_{CQ}=-0.7V(對地)\)。
取\(R_5\)的壓降爲2V，由於\(I_{EQ3}=I_{CQ3}=I_{EQ1}+I_{EQ1}=8mA\)，則\(R_5=\frac{2V}{8mA}=250\Omega\)，取標稱值電阻值\(240\Omega\)。
\(R_6\)和\(R_7\)肯定方法和以前的共射放大電路同樣，取標稱電阻值得 \(R_6=5.1k\Omega\)和\(R_7=36k\Omega\)。
4. 肯定\(R_1\)和\(R_3\)
\(R_1\)和\(R_3\)的值影響輸入電阻，這裏取\(R_1=R_3=1k\Omega\)。
\(C_1\)和\(C_2\)取\(10uF\)。
5. Multisim仿真驗證
設置好參數進行仿真，以下圖

此電路差模電壓放大倍數\(A_d=\frac{2.593V}{50mV}\approx52倍\)
輸出電壓波形以下圖所示

忙裏偷閒完成一篇