一篇短文浅谈差分电路

前言

在之前的文章中,我们介绍了可以进行信号放大的共射级放大电路、在文章中提到了电路中的Re为反馈电阻,当负载发生变动时,Re会及时的进行反馈,从而稳定输出电压。

那么如果输入端被干扰,产生输入电压的波动又会怎样呢?

我们来做下仿真实验。(仿真软件的版本和资源我贴在文章末)

通过实验我们可以看到由于加入了输入噪声,在输入端即使没有信号输入,也产生了较大的噪声,这在某些长距离信号传输时是非常明显的!

如何解决这个问题呢?这就引出了今天的主题差分方法电路。

在介绍原理之前,我们还是先看下大电路的仿真结果。在实际应用中差分电路通常会使用双绞线,会最大程度上将干扰转化为共模干扰。在下图的仿真中加入的便是共模干扰↓

通过实验结果我们可以看到:面对同样的输入干扰,差分电路的输出干净了许多,很强的抗干扰能力就是差分电路的特点,这就得益于差分的概念。

差分电路的概念

该电路的输入端是两个信号的输入,这两个信号的差值,为电路有效输入信号,电路的输出是对这两个输入信号之差的放大

设想这样一种情景,如果存在干扰信号,会对两个输入信号产生相同的干扰,通过二者之差,干扰信号的有效输入为零,这就达到了抗共模干扰的目的。

差分放大电路的原理

在分析差分放大电路时,我们还是采用动态分析和静态分析两种分析方法。

静态分析

=>在上图的差分电路中,使用±5V进行供电,在的基极添加偏置电 R7/R3,来保证Q1、Q5的基极在无信号输入时确定为0V,发射极为-0.7V。由于Q1、Q5处于完全对称的关系所以,Iq5e = iq1e、iq2e = 2*iq1e。

=>R8、R9、Q2组成了恒流源电路,由于Q2的Vbe不变,则无论差分输入何种信号,一直会保持住恒定的Iq2e。当差分信号P的电平大于N的电平时,Iq5e的电流会增大,与此同时Iq1e的电流会动态的减小,那么R5和R1流过的电流不同,则电压形成差值,产生波形的输出。

=>Q5、Q1的E级电流我们还是按照典型值设置为2mA左右,这是通过R6设置的,由于Q2的VE为2.5V-0.6V=1.9V,则R6设置为1K就可以将Q5、Q1的静态Ie设置为1mA左右。

=>至此我们大概的讲述了电路的工作原理,和静态电流的设置,放大倍数和其他概念我们再动态分析中继续介绍

动态分析

进行动态分析时,我们还是要先画出等效电路↓

由于三极管的Rbe通常为600-1000欧姆,远远小于10K,所以

Uid ≈ 2ib1*Rbe1

Uod = -2Ic1*2.2K

则放大倍数A≈β*(2.2K / Rbe1)≈ 200

通过刚才的计算放大倍数约为200倍,通过实际测量确认,此电路的放大倍数确实为200倍左右↓(0.05V -> 10V)

如果使用单端输出,那么放大倍数也会变为100倍,这一点也可以通过刚才的动态分析轻松知道。

通过等效模型也可以轻松的知道,当差分输入,双端输出时的输入电阻与输出电阻。

输入电阻=10K +10K = 20K ;

输出电阻=2.2K+2.2K = 4.4K ;

差分电路中的共模抑制比

为了综合考察差分电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力,引入指标共模抑制比Kcmr。

其定义为:Kcmr = | Ad/Ac |。(差模放大倍数/共模放大倍数)

其值越大,那么电路性能越好,在仿真和理论计算中,Kcmr都为无穷大,在应用需要实际测量和计算才知道,以后有机会的话会实际测给大家看。

结束

差分放大电路作为一个基本放大电路,常常出现于各类电子设计中,近些年来由于IC的大规模应用,它出现的身影越来越少了,不过没关系,重要的是我们要学习差分放大电路中的一些概念和对电路的理解,尽量学习其思想,差分电路的概念在485/422等电路中都有应用,这是我们做硬件所离不开的,所以差分电路的概念一定要好好理解。

贴上仿真软件的版本与下载链接,需要的同学自取↓

附上multisim 14.0 网盘链接,内附PJ方法

https://pan.baidu.com/s/15NvcyeKIgk-COlvoDIfz0A

提取码: dsmf

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