差分放大电路在教学中的研究

广东理工学院 宫占霞

模拟电子技术是电气自动化、自动化、通信、电子等专业的专业基础课，也是在教学过程中学生反映较为难学的一门课，差分放大电路就是其中的难理解的知识点之一，差分放大电路的差模输入信号与共模输入信号的作用结果易混淆。本文将以差分放大电路为例，采取一些易懂的办法梳理此知识点。

1 引言

差分放大电路具有电路对称性的特点，此特点可以起到稳定工作点的作用，被广泛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，易于混淆，是模拟电子技术基础课程的难点与重点。

差分放大电路有差模和共模两种基本输入信号，由于其电路的对称性，当两输入端所接信号大小相等、极性相反时，称为差模输入信号；当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号（康华光.电子技术基础[M].高等教育出版社,2006:256-310）。

通常我们将要放大的信号作为差模信号进行输入，而将由温度等环境因素对电路产生的影响作为共模信号进行输入，因此我们最终的目的，是要放大差模信号，抑制共模信号。在后面的介绍中会介绍差分放大电路如何实现此功能。

差分放大电路按输入输出方式分：双端输入双端输出（简称双入双出）、双端输入单端输出（简称双入单出）、单端输入双端输出（简称单入双出）、单端输入单端输出（简称单入单出）（童诗白.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2010:154-172）。但对于共模信号而言，根据对共模信号的定义，共模输入的差分放大电路只有双入双出和双入单出两种基本电路。下面分别对差分放大电路的四种基本电路的差模增益和共模增益进行介绍。

图1 双入双出

图2 双入双出交流通路

2 差模增益

2.1 双入双出

如图1所示双入双出电路，当输入端时，由于电路的对称性，两管的发射极电流大小相等，方向相反，因此流过电流源的电流为零，即，等效电路如图2所示。图2电路的小信号模型如图3所示。

图3 单边小信号等效电路

双入双出的差模电压增益为：

由上式可知，双入双出的差模电压增益为差分放大电路单边共射电路的电压增益。根据图3可得：

当在两管集电极端加负载电阻RL时，从两管集电极流出的电流大小相等，极性相反，即流过负载电阻两端的电流大小相等，极性相反，因此，在负载电阻RL中间的位置点位为零。

可理解为，单边共射电路所接负载电阻为RL/ 2，由基本放大电路的分析方法可得：

2.2 双入单出

如图2所示电路，当只有一端vo1有输出时，仿照上述求法，可得：

若只有一端有输出时，仿照上述求法，可得：

2.3 单入双出

如图4所示为差模信号单端输入时的差分放大电路，即：

图4 单入双出

图5 单入双出等效电路

对于图4我们可以将vi1输入信号分解为两个大小相等、相位相同的输入信号vid/ 2共同作用；vi2分解为两个大小相等，相位相反的输入信号vid/ 2与-vid/ 2共同作用，即变为双入双出的电路分析，如图5所示。此时的差模电压增益与双入双出的差模电压增益相同，为：

2.4 单入单出

单入单出的分析办法同单入双出的分析办法，将vi1输入信号分解为两个大小相等，相位相同的输入信号vid/ 2共同作用；vi2分解为两个大小相等，相位相反的输入信号vid/ 2与-vid/ 2共同作用，此时的差模电压增益与双入单出的电压增益相同，为：

3 共模电压增益

3.1 双入双出

有图1可知，共模输入信号的加入，使得差分放大电路的两管发射极电流大小相等，方向相同，因此流过电流源的电流为2ie，将电流源的内阻等效到两管的发射极，电阻放大两倍变为2ro。如图6所示。

图6 双入双出

图7 单边小信号等效电路

由于电路的对称性，当两管输入端加大小相等相位相同的信号时，在输出端同样得到大小相等，相位相同的信号。因此图6的共模电压增益为：

上式说明，差分放大电路可以抑制共模信号。

3.2 双入单出

单边共射放大电路的小信号模型如图7所示，根据定义，可得：

由上式可知，电流源越理想，ro越大，共模电压增益越小，差分放大电路抑制共模信号的能力越强。

4 总结

差分式放大电路通常是构成模拟集成电路的基本组成单元，对直流信号与交流信号均具有放大作用；对差模信号可以进行放大，对共模信号可以很好的抑制。本文介绍了差分放大电路的四种典型电路，并对这四种电路进行的整合，让学习者更容易掌握与理解。