带有源负载的差分放大电路的分析与研究

川北医学院医学影像学院电子技术教研室　何汶静　祝元仲

带有源负载的差分放大电路的分析与研究

川北医学院医学影像学院电子技术教研室何汶静祝元仲

带有源负载的差分放大电路是模拟电子技术课程中“模拟集成电路”一章中的教学难点，该电路综合了镜像电流源和差分放大电路的基本结构，需要综合分析，对于初学者来说难度更大。很多模拟电子技术教材都介绍了这一部分，但大多介绍得比较粗略，不够清楚。依托我院虚拟仿真实验中心，利用计算机辅助设计软件，可以方便的仿真各种实际电路，分析各种可能的问题，从而深入理解该电路的结构和工作原理，可以应用到电子技术课程的教学中。

有源负载；差分放大；电子技术

1　引言

带有源负载的差分放大电路是用两个三极管（晶体三极管或场效应）构成镜像电流源，并以此作为差分放大电路的集电极负载RC，从而使集电极负载趋于无穷大，以尽量提高放大倍数，广泛用于各种集成运放的设计中，是构成集成运放的基本结构。其结构和原理是《模拟电子技术》教学中学生比较难掌握的部分，也是教师讲授时的难点。

在各种《模拟电子技术》教材中，都介绍了有源负载的结构、原理和基本应用，但在这一部分的介绍或者比较简单，或者比较模糊，学生理解难度较高。高校开设的《模拟电路实验》［1］中也少有关于有源负载的实验项目，学生对这一知识点理解往往并不清楚。

依托我院近年来开展的开放性实验教学［2］模式和我院虚拟实验中心的基础，利用虚拟实验的方式，发现电路的问题，以启发性、综合性和设计性为特点，让学生容易的理解这一知识点，并且可以自己动手发现问题，解决问题，是一种可应用到电子技术系列教学中的优秀的教学模式。

图1　带有源负载的射极耦合差分式放大电路

2　电路工作情况

2.1电路的结构

如图1所示为常用教材中使用的带有源负载的射极耦合差分式放大电路，多数教材［3］在理论讲解过程中也已给出了类似的电路结构。三极管实验中推荐使用2N3904［4］和2N3906［5］。其它参数如图1所示。

2.2问题的提出

如图1，T1、T2组成差分放大电路，T3、T4组成有源负载，T5、T6、R2、R3组成镜像电流源。教材中计算了静态时vi1=vi2=0，基准电流IREF：

e点电流源电流Io：

按照教材［3］的说法：单端输入的情况下，在输入端加入直流信号源电压Vi1=vid，相当于双端输入时的vi1= -vi2=vid/2，则根据图1，ic1= -ic2，ic3=ic4，ic3=ic1所以输出电流io=ic4-ic2=ic1-（-ic1）=2ic1。并且得出结论：带有源负载差分放大电路的输出电流是基本单端输出差放的两倍。

但是实际上，由于图1并没有接入负载，所以节点c2实际上只有2条支路，即ic2=ic4，且io=0！所以教材上这样分析并不能令学生信服。

为了分析电路的各个部分的工作情况，本文采用Multisim 11.0软件辅助分析［6］不同情况下的输出值。以此为基础确定各部分的实际工作过程。

3　结果和讨论

3.1实际电路的工作情况仿真结果

图2为不同情况下单端输入为0mV、10mV、20mV、40mV直流信号测得的ic1～ic4，及负载电流iL的变化趋势曲线。单端输出情况下ic1≈ic3，双端输出情况下ic3≈ic4，负载RL断开的情况下ic4=ic2，所以每个图中都有两条曲线重合的情况。

如果从电压值的角度分析，图3反映了e点对地电位和三极管T1 ～T4的集电极-射级之间的电压（VCE1～VCE4）变化趋势。

图2　不同情况下ic1～ic4及负载电流iL的变化趋势曲线

图3　不同情况下VCE1～VCE4的变化趋势曲线

3.2讨论

（1）ic1和ic2。ic1、ic2的变化是由差分放大电路的输入信号引起的，单端输入的差模信号vid和双端输入vid相同，即输入信号增大时ic1增大，ic2减小，这对于图2中每一种情况都相同。

（2）ic3和ic4。ic3、ic4是组成镜像电流源的T3、T4的集电极电流，按照大多数教材的讲授，根据T3、T4的基极-发射极电压相等，则ic3≈ic4。但从图2看出只有在双端输出且RL较小（例如1kΩ）的情况下才满足ic3≈ic4，且大小基本维持不变；单端输出时ic4＞ic3，但变化趋势相同；负载断开时ic4=ic2和ic3变化趋势相反。

（3）负载电流。负载断开时，负载电流为零。另两种情况满足负载电流iL=ic4-ic2，双端接负载时，由于ic4大小基本维持不变，如图2所示，所以ΔiL= -Δic2；单端接负载时，由于Δic4≈Δic3≈Δic1≈-Δic2，所以ΔiL= -2Δic2。因此，单端接负载的电流是双端接负载时的2倍。

（4）为了解释不同的接法造成不同的ic3和ic4的相对关系，文中继续分析了不同情况下VCE1～VCE4的大小及变化趋势。由图中可以看出e点对地电位为0.7V，是基本维持不变的，即：

由于T3的基极和发射极短接，所以T3相当于仅利用了发射结，即当二极管使用。由于发射结导通，所以静态时：

VCE3=VBE3=0.7V

VCE1=6.7-VCE3=6V

静态时，观察每一种情况下都有：

ic1=ic2=0.7mA

再来分析每种情况下VCE2，VCE4的值：

RL断开，静态时，T2和T1结构对称：

Ic1Q=Ic2Q=Ic4Q≈Ic3Q，

所以根据（3）式：

VCE2Q=VCE1Q=6V，VCE4Q=VCE3Q=0.7V

双端接负载RL时，电路仍然对称，负载电流iL=0，所以静态各电流电压值和RL断开的情况相同。

单端接1kΩ负载，静态时，电路的对称性被打破，Ic4Q≠Ic3Q，c2点的电位被拉低：

Ic1Q=Ic3Q≈Ic2Q，

Ic4Q=Ic2Q+IL，

VCE2Q≈Ic4Q×RL=0.875V，

VCE4Q=5.825V。

所以单端输出情况下T4的C、E之间动态范围可以较大。

动态情况可以看出，接负载时，三极管T2、T4工作在线性区，如图3所示，而如果不接负载，没有负载电流iL，没有了负载支路的分流，T4迅速进入饱和区，镜像电流源不满足ic3≈ic4，此时ic2=ic4，ic4和ic3变化趋势相反。

4　结语

通过不同情况下的电路仿真，可以发现，第一，镜像电流源并不是在何种情况下都能保证ic3≈ic4，由于集电极和基极短接，实际上相当于二极管使用，因此T3、T1各自的集电极-发射极电压降几乎不变，带负载的主要是T4、T2一侧。第二，单端输出时，由于负载的作用使T2集电极电位被拉低，VCE4的静态工作点为5.825V，明显区别于另两种情况的0.7V，所以如果信号正向增大时，动态范围更大。第三，RL断开或取值较大的情况下，由于负载的分流作用失去或者不明显，造成T4管容易进入饱和区，T3、T4构成的镜像电流源失去其“镜像”电流的作用，所以ic3、ic4的变化趋势相反。

［1］张保华.模拟电路实验基础［M］.上海：同济大学出版社（第1版），2008.

［2］廖萱，王大庆，兰长骏.眼视光学实验室开放式管理探讨［J］.川北医学院学报，2010，25（04）：400-401.

［3］康华光.电子技术基础 模拟部分［M］.北京：高等教育出版社（第5版），2008.

［4］平盛电子.2N3904/MMBT/PZT3904 NPN General Purpose Amplifier Datasheet.深圳市平盛电子有限公司（2010）［2014］.www.ps-pfs.com.

［5］強茂股份有限公司.2N3906 PNP General Purpose Switching Transistor.中国台湾高雄市冈山区冈山北路24號（2005）［2005］.www. panjit.com.tw.

［6］平盛电子.1N4148 Small Signal Switching Diode Datasheet.深圳市平盛电子有限公司（2010）［2010］.www.ps-pfs.com.

［7］王尔申，庞涛，李鹏，等.Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用［J］.实验技术与管理，2013，30（3）：78-81.

Analysis and Research of Differential Amplifying Circuit with Active Load

He Wenjing Zhu Yuanzhong
（Medical Image Department of North SiChuan Medical College）

Abastrct：Differential amplifying circuit with active load is a teaching difficulty in”analog integrated circuit”chapter of analog electronic technology. The circuit integrates the basic structure of the mirror current source and the differential amplifier circuit，which needs a comprehensive analysis and is more difficult for beginners.Many teaching materials of analog electronic technology include this circuit，but most of them are relatively obscure，not clear enough.Based on virtual simulation experiment center of our college，some actual circuits are easily simulated by computer aided design software.Variety of possible problems are analyzed.The structure and operating processing are deeply understood.The teaching method can be applied to electronic technology course.

Active load；Differential amplifying circuit；Electronic technology

四川省教育厅教改课题（川教函［2014］156号）。

何汶静（1983—），女，讲师，现就职于川北医学院医学影像学系电子技术教研室，研究方向为生物医学工程。

祝元仲。