差分放大电路分析与仿真

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一、零点漂移及温度漂移

在直接耦合放大电路，将输入端短路，也会有变化缓慢的输出电压，这种输入电压（△uP-uI）为0而输出电压的不为0的现象称为零点漂移。

在放大电路中，任何元件参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化，都将产生电压的漂移。采用高质量稳压电源和使用经过老化实验的元件就可以大大减小因此产生的漂移，而由温度变化所引起的半导体器件参数的变化就成为产生零点漂移现象的主要原因，也称为零点漂移为温度漂移，简称温漂。

二、抑制温漂的方法

温漂会严重影响电路性能，实际中可通过以下方法抑制：
1.选用低温漂元器件，电阻可选用高精度、低温度系数的金属膜电阻（温度系数约 ±10ppm/℃），避免碳膜电阻（温度系数大）；半导体器件可选用低温漂三极管（如 “超 β 管”）或运算放大器（如 OP07，温漂约 0.1μV/℃）。
2.温度补偿，利用元器件的温度特性抵消放大管的漂移，利用热敏元件来抵消放大管的变化。
3.差分放大电路，采用特性相同的管子，使温漂相互抵消。

三、差分放大电路

差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路，作为集成运放的输入级。

1.电路组成

在典型工作点稳定电路中，忽视Rb上的静态电压忽略不计，则发射极的静态电流IEQ≈(VBB-UBEQ)/Re。当温度变化时，ICQ会有微小变化，这种变化在Re上产生变化的电压（负反馈电压），影响UBEQ，达到减小温漂的目的，如果采用直接耦合电路，这种变化会逐级放大。

如果采用电路参数完全相同，管子特性也完全相同的电路，即两个三极管的集电极静态电位在温度变化时相等，电路以两个三极管集电极电位差作为输出，便可克服温度漂移。

在差分电路中，当uI1与uI2所加信号为大小相等、极性相同的输入信号（称为共模信号）时，由于电路参数对称，T1和T2管所产生的电流变化相等，即△iB1=△iB2，△iC1=△iC2，故集电极电位变化相等，即△uC1=△uC2。输出电压uO=uC1-uC2=(uCQ1+△uC1)-(uCQ2+△uC2)=0，说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用，在参数理想对称的情况下，共模输出为零。

放大信号需将其分成大小相等的两部分，按相反极性加在电路的两个输入端，这种大小相等极性相反的电路称为差模信号。△uI1=-△uI2，因电路参数对称，T1和T2产生的电流变化大小相等二变化方向相反，即△iB1=-△iB2，△iC1=-△iC2，集电极电位的变化也是大小相等且变化方向相反的，即△uC1=-△uC2，输出电压uO=uC1-uC2=2uC1，实现电压放大。

Re1和Re2的存在使电路的电压放大能力变差，差模信号输入时，T1和T2管的发射极电流变化量大小相等，方向相反，即△iE1=-△iE2。将Re1和Re2合二为一，称为Re，则在差模信号作用下，Re电流变化为零，即Re对差模信号无反馈作用，交流回路相当于短路，大大提高了对差模信号的放大能力。

注意：
1.集成运放均采用直接耦合电路。
2.对于差分电路的分析是基于电路参数理想对称进行的，但实际上差分放大电路参数不可能理想对称，也不可能完全抑制零点漂移。

2.差分放大电路分析

典型差分放大电路，如下图。Re接负电源-VEE，拖一个尾巴，故称为长尾式放大电路，电路参数理想对称，即Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc，T1和T2特性相同，β1=β2=β，rbe1=rbe2=rbe，Re为公共发射极电阻。

（1）静态分析

当输入信号uI1=uI2=0时，
$$I_{Re}=I_{EQ1}+I_{EQ2}=2I_{EQ}$$
$$I_{BQ}{R}_b+U_{BEQ}+2I_{EQ}{R}_e=V_{EE}$$
通常情况下，Rb阻值很小，而且IBQ很小，Rb上的电压可忽略不计，发射极电位UEQ=-UBEQ，因而发射极的静态电流为
$$I_{EQ}\approx \frac{V_{EE}-U_{B}EQ}{2R_e}$$
$$I_{BQ}=\frac{I_{EQ}}{1+\beta }$$
$$U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}{R}_e+U_{BEQ}$$
因
$$U_{CQ1}=U_{CQ2}，u_o=U_{CQ1}-U_{CQ2}=0$$

（2）抑制共模信号

电路参数对称性使温度变化时三极管电流变化完全相同，抑制温度漂移。同时，Re对共模信号起负反馈作用，抑制每个三极管集电极电流变化，从而抑制集电极电位的变化，故称Re为共模负反馈电阻。
$$△U_{Ic}\uparrow \to I_{B1}/I_{B2}\uparrow \to I_{C1}/I_{C2}(I_{E1}/I_{E2})\uparrow \to U_E\uparrow \to U_{BE1}/U_{BE2}\downarrow \to I_{B1}/I_{B2}\downarrow \to I_{C1}/I_{C2}(I_{E1}/I_{E2})\downarrow$$
△uE=△iE(2Re),对于单边三极管，发射极等效电阻为2Re，Re越大，负反馈作用越强，△ic变化越小，△uc越小。

差分放大电路对共模信号的抑制能力，可用共模放大倍数Ac来描述。
$$A_c=\frac{△u_{oc}}{△u_{Ic}}$$
△uIc为共模输入电压，△uoc是共模输入电压作用下的输出电压，若电路参数理想对称，Ac=0。

（3）放大差模信号

输入差模信号△uId，将△uId分成T1输入+△uId/2，T2输入-△uId/2。发射极电位在差模信号下不变，相当于接地；负载电阻RL的中点电位在差模信号作用下也不变，相当于接地，RL分成两份接在T1和T2的c-e之间。

输入差模信号时的电压放大倍数称为差模放大倍数Ad
$$A_d=\frac{△u_{od}}{△u_{Id}}$$

差分放大电路中，
$$△u_{Id}=2△i_{B1}(R_b+r_{be})$$
$$△u_{od}=-2△i_{C1}(R_c//\frac{R_L}{2})$$
$$A_d=\frac{△u_{od}}{△u_{Id}}=-\frac{\beta (R_c//\frac{R_L}{2})}{R_b+r_{be}}$$
差分放大电路使用两个三极管，其电压放大能力与共射放大电路差不多（Au=-β(Rc//RL)/(rbe+Rb)，详细可看《三极管基本放大电路静态及动态参数计算》），差分放大电路牺牲一个三极管的放大倍数为代价抑制温漂。

输入电阻
$$R_i=2(R_b+r_{be})$$

输出电阻
$$R_o=2R_c$$

差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力称为共模抑制比KCMR
$$K_{CMR}=\frac{A_d}{A_c}$$
共模抑制比越大越好，若电路参数理想对称，Ac=0，KCMR=∞。

四、multium仿真差分放大电路

1.输入共模信号

由于仿真软件的器件参数都是理想的，可以做到理想对称，故输入共模信号是没有输出。

2.输入差模信号

输入差模信号，能够成功放大差模信号，产生反向放大电压。

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