差分放大电路的分析与仿真

李然 岳永哲

摘要：差分放大电路是模拟电路学习中常用到的放大电路，其抑制零点飘移的良好电气特性，使它经常被用作多级放大电路的输入级。本文通过对差分电路的静态及动态分析及仿真，让学生能够对差分放大电路有深入的了解。

关键词：零点漂移；差分放大；仿真分析

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）09-0246-01

1 引言

当今世界之所以能称之为智能化的时代，是由于各种智能化的设备得到了普及，而这些智能化设备之所以能够智能化，离不开功能各异的各种传感器，而这些传感器所采集到的电信号一般都很微弱，同时这些微弱的电信号往往不是周期性的，所以对这些信号进行放大处理时，需要采用直接耦合放大电路进行放大，所谓直接耦合即输入信号引入放大电路及放大电路与其负载的连接都是靠导线直接连接，因此直接耦合连接方式有很好的低频特性同时又很容易做成集成电路。直接耦合放大电路虽然有以上几大优势，但普通的直接耦合放大电路存在零点漂移现象，所谓“零点漂移”，就是当输入信号为零时面输入信号不为零。差分放大电路是一种直接耦合放大电路，差分电路本身具有良好的电气对称性，使其对模性号有很强的抑制作用，所以能有效地抑制零点漂移现象的发生。

2 差分放大电路抑制温漂的原理分析

零点漂移现象的产生，其原因有很多，但最为主要的原因还是晶体管受到外部温度变化所引起的静态工作点的波动，所以零点漂移也常被称为温度漂移，简称温漂。那差分放大电路是如何做到抑制温漂的呢？

图1所示电路为长尾差分放大电路，当两端的输入信号电压uI1=uI2=0时，也就是电路处于完全的直流分量控制静态状态，因为T1与T2管的电气特性完全相同，其外接电阻参数也都相同，那么就有集电极对地电位UCQ1=UCQ2的结果，所以静态时的输出电压UO=0。如果外界温度升高了，ICQ1和ICQ2也会同时增大，而且其增大幅度完全相同，从而导致两个集电极电阻上的压降出现等值幅度的增大，进而使UCQ1和UCQ2同时等值幅度变小，所以输出UO=UCQ1–UCQ2=0保持不变。如果外界温度降低了，将会引起上述变化的一个反过程，最后得到的结果还是输入电压保持不变。经过上述分析，我们发现差分电路巧妙地利用电路的对称性消除了放大电路在输出端的零点漂移。

3 差分放大电路的静态仿真分析

图2所示电路为差分电路的静态仿真电路。从图中的仿真结果我们可以看出，差分电路的基极到地电位很低，只有几mV，所以在近似估算时往往忽略掉基极电阻上的压降。

于是有：

图2所示电路的输出端并沒有接入负载电阻RL，那如果在图中加入负载电阻，其静态工作点会否产生变化？从传真结果中我们可以看到UC1=UC2，所以即便接上负载电阻，那负载上也不会有电流流过，因此接入负载与否对图示电路的静态工作点无任何影响。

4 差分放大电路的动态分析与仿真

差分放大电路的交流输入信号有两种，一种称之为“差模信号”，另一种称之为“共模信号”。共模信号是指两个输入端所加入的信号无论大小还是极性都相同。在共模信号作用下， 由于差分电路参数的对称性，两个晶体管的集电极电流的变化幅度及变化方向均相同，导致集电极电位的变化量和变化方向也都相同，因此差分电路的输出电压的变化量ΔuO=ΔuC1–ΔuC2=0。经过以上的推理分析，我们可以得出这样的结论：差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。

差模信号是指两个输入端所加的信号只是在大小上相等但极性却是相反的。在差模信号的作用下，由于差分电路参数的对称性，两个晶体管的集电极电流的变化幅度相等，但它们的变化方向相反，导致集电极电位的变化量相等而变化方向也相反的变化，即ΔuC1= –ΔuC2，因此差分电路的输出电压的变化量ΔuO=ΔuC1–ΔuC2=2ΔuC1。所以在输入差模信号的作用下，输出电压的变化幅度是每个晶体管集电极电位变化幅度的两倍，这就证明了差分放大电路对所输入的差模信号是有很强的放大作用。

图3所示的差分电路中加入了有效值为10mV的差模信号，仿真结果得到两个输出端的输出电压基本都将近600mV，而且我们在图4的仿真输出波图中可以看到，这两个输出端的信号相位正好相反，所以我们得到的输出电压值近似为1200mV，可见差分放大电路，对差模信号是有很强的放大作用的。

5 结语

通过对差分放大电路的分析与仿真，使学生对差分电路为何能够有效地抑制温漂？为什么差分放大电路能够抑制共模信号而又对差模信号有放大作用等疑问有了更深的体会，自然而然地就会很好的接受差分放大电路。

参考文献：

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