仿真分析差分放大电路的性能

关秀丽，雷艳敏，任丽晔

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

0 引言

差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。Multisim作为著名的电路设计与仿真软件，它不需要真实电路环境的介入，具有仿真速度快、精度高、准确、形象等优点。通过对实际电子电路的仿真分析，加深了对差分放大电路工作原理的理解，对掌握集成电路具有重要意义。

1 工作原理

差分放大电路是直接耦合电路中最典型的一种电路，它不仅可以通过双端输出，对负载两端同向的电压相互抵消，同时对单端输出的零漂也有很强的抑制能力。

图1为典型的恒流源差放电路，是由两个电路参数完全相同的单管放大电路，通过发射极耦合在一起的对称式放大电路，具有两个输入端和两个输出端。其中，三极管T1、T2构成差放的两个输入管，T1、T2的集电极 VC1、VC2构成电路的两个输出端;三极管 T3、T4构成恒流源电路［4］。

图1 恒流源差分放大电路图

双电源的作用:使信号变化幅度加大;IB1、IB2由负电源UEE提供。T3管工作在放大区，相当于恒流源的作用。T4管为温度补偿三极管(BC短接，相当于二极管)

其作用是保持IE3的相对稳定。

恒流源的作用:相当于一个阻值很大的电阻，不影响差模放大倍数，但影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，提高抑制零点漂移的能力。理想的恒流源相当于阻值无穷大的电阻，所以共模抑制比是无穷。

2 电路分析

对差分放大电路进行分析，常用的方法有微变等效电路法和仿真分析法。

2.1 微变等效电路法

当放大电路的输入信号很小时，其工作点将在特性曲线上一个很小的区域内运动，此时，可以将三极管的特性曲线线性化处理，从而把三极管非线性元件用一个线性模型来替代。

用微变等效电路法分析负反馈放大电路时:首先要分析放大电路的静态特性，求出其静态工作点;其次要画出其相应的交流通路，再将三极管用微变等效模型代替，得到相应的微变等效电路;最后以微变等效电路为基础，运用电路原理，分析、求解放大电路的动态性能指标［3］。

微变等效电路分析法原则上可用于分析任何放大电路，但由于相对复杂的电路要联立方程组，运算量比较大，可能会造成一定的运算误差，所以适用于比较简单的电路。

2.2 仿真分析法［1］

主要由于对分立器件电路及集成电路硬件实现之前进行复杂研究，分析不同输入状态下电路的性能，并可以设置各种测试条件，对电路进行全面分析，本文主要介绍用此种分析方法对差分放大电路进行仿真调试输出波形，验证差分放大电路的特性，并用参数扫描法分析差放电路不对称时对输出的影响。

静态时，Vi=0，由于电路对称，双端输出电压为0。

差模输入时，Vi1=－Vi2，Vid=Vi1－Vi2。若采用双端输出，负载R1的中点相当于交流零电位点，差模放大倍数AVd=AVd1=－Avd2;若采用单端输出，则AVd=AVd1/2。共模输入时，Vic=Vi1=Vi2，VC1=Vc2，双端输出时输出电压为0，共模放大倍数AVC=0，共模抑制比KCMR=∞。

2.2.1 差模放大特性

在Multisim电路窗口创建仿真电路。令Vi1=100mV，Vi2=0。这是一组任意输入信号，在实际分析时，可以将其分解为一对共模信号和一对差模信号。双击示波器图标，可观测到单端输出时的输出波形如图2所示。由于示波器可测得输入电压Vi=10mV时，输出电压V0=－45.6mV，由此可以计算出单端输出时差模电压放大倍数所以差放电路对差模信号有放大特性。

图2 差模信号输出波形

2.2.2 测试共模抑制特性

将三极管T1、T2的两个输入端并接在一起，为共模信号。双击示波器图标，可观测到单端输出时的输出波形如图3所示。由示波器可测得输入电压Vi=10mV时，输出电压V0=－0.975mV。由此可计算出单端输出时共模电压放大倍数，所以差放电路对共模信号具有抑制特性。

图3 共模信号输出波形

2.2.3 参数扫描分析

差动放大电路为完全对称电路，当R8和R10不相等时，观测输出波形的变化。如图4所示电路，可见，差放电路不对称时，静态双端输出不为0，且交流输出幅度略有减小。

图4 电路对称、不对称时的输出波形

3 结语

上述仿真分析结果，与理论分析和计算结果一致。从而加深了对差动放大电路原理的理解，对掌握集成运算放大电路和其他模拟集成电路，以及实用电路的设计有重要意义。

［1］ 杨素性.模拟电子技术基础简明教程［M］.北京:高等教育出版社，1999.

［2］ 李伟.Multisim7电路设计及仿真应用［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［3］ 张少明.负反馈放大电路的仿真分析［J］.广东交通职业技术学院学报，2005，4(2):99－101.

［4］ 石嘉顺.基于Multisim环境下的电路设计与仿真［J］.计算机仿真，2007，24(12):306－308.

［5］ 卢超.负反馈放大电路的仿真分析［J］.现代电子技术，2005，28(16):115－117.