帶有源負(fù)載的差分放大電路的分析與研究

川北醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院電子技術(shù)教研室　何汶靜　祝元仲

帶有源負(fù)載的差分放大電路的分析與研究

川北醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院電子技術(shù)教研室何汶靜祝元仲

帶有源負(fù)載的差分放大電路是模擬電子技術(shù)課程中“模擬集成電路”一章中的教學(xué)難點(diǎn)，該電路綜合了鏡像電流源和差分放大電路的基本結(jié)構(gòu)，需要綜合分析，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)難度更大。很多模擬電子技術(shù)教材都介紹了這一部分，但大多介紹得比較粗略，不夠清楚。依托我院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可以方便的仿真各種實(shí)際電路，分析各種可能的問(wèn)題，從而深入理解該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理，可以應(yīng)用到電子技術(shù)課程的教學(xué)中。

有源負(fù)載；差分放大；電子技術(shù)

1　引言

帶有源負(fù)載的差分放大電路是用兩個(gè)三極管（晶體三極管或場(chǎng)效應(yīng)）構(gòu)成鏡像電流源，并以此作為差分放大電路的集電極負(fù)載RC，從而使集電極負(fù)載趨于無(wú)窮大，以盡量提高放大倍數(shù)，廣泛用于各種集成運(yùn)放的設(shè)計(jì)中，是構(gòu)成集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)和原理是《模擬電子技術(shù)》教學(xué)中學(xué)生比較難掌握的部分，也是教師講授時(shí)的難點(diǎn)。

在各種《模擬電子技術(shù)》教材中，都介紹了有源負(fù)載的結(jié)構(gòu)、原理和基本應(yīng)用，但在這一部分的介紹或者比較簡(jiǎn)單，或者比較模糊，學(xué)生理解難度較高。高校開(kāi)設(shè)的《模擬電路實(shí)驗(yàn)》［1］中也少有關(guān)于有源負(fù)載的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)理解往往并不清楚。

依托我院近年來(lái)開(kāi)展的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)［2］模式和我院虛擬實(shí)驗(yàn)中心的基礎(chǔ)，利用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，發(fā)現(xiàn)電路的問(wèn)題，以啟發(fā)性、綜合性和設(shè)計(jì)性為特點(diǎn)，讓學(xué)生容易的理解這一知識(shí)點(diǎn)，并且可以自己動(dòng)手發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，是一種可應(yīng)用到電子技術(shù)系列教學(xué)中的優(yōu)秀的教學(xué)模式。

圖1　帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路

2　電路工作情況

2.1電路的結(jié)構(gòu)

如圖1所示為常用教材中使用的帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路，多數(shù)教材［3］在理論講解過(guò)程中也已給出了類(lèi)似的電路結(jié)構(gòu)。三極管實(shí)驗(yàn)中推薦使用2N3904［4］和2N3906［5］。其它參數(shù)如圖1所示。

2.2問(wèn)題的提出

如圖1，T1、T2組成差分放大電路，T3、T4組成有源負(fù)載，T5、T6、R2、R3組成鏡像電流源。教材中計(jì)算了靜態(tài)時(shí)vi1=vi2=0，基準(zhǔn)電流IREF：

e點(diǎn)電流源電流Io：

按照教材［3］的說(shuō)法：?jiǎn)味溯斎氲那闆r下，在輸入端加入直流信號(hào)源電壓Vi1=vid，相當(dāng)于雙端輸入時(shí)的vi1= -vi2=vid/2，則根據(jù)圖1，ic1= -ic2，ic3=ic4，ic3=ic1所以輸出電流io=ic4-ic2=ic1-（-ic1）=2ic1。并且得出結(jié)論：帶有源負(fù)載差分放大電路的輸出電流是基本單端輸出差放的兩倍。

但是實(shí)際上，由于圖1并沒(méi)有接入負(fù)載，所以節(jié)點(diǎn)c2實(shí)際上只有2條支路，即ic2=ic4，且io=0！所以教材上這樣分析并不能令學(xué)生信服。

為了分析電路的各個(gè)部分的工作情況，本文采用Multisim 11.0軟件輔助分析［6］不同情況下的輸出值。以此為基礎(chǔ)確定各部分的實(shí)際工作過(guò)程。

3　結(jié)果和討論

3.1實(shí)際電路的工作情況仿真結(jié)果

圖2為不同情況下單端輸入為0mV、10mV、20mV、40mV直流信號(hào)測(cè)得的ic1～ic4，及負(fù)載電流iL的變化趨勢(shì)曲線。單端輸出情況下ic1≈ic3，雙端輸出情況下ic3≈ic4，負(fù)載RL斷開(kāi)的情況下ic4=ic2，所以每個(gè)圖中都有兩條曲線重合的情況。

如果從電壓值的角度分析，圖3反映了e點(diǎn)對(duì)地電位和三極管T1 ～T4的集電極-射級(jí)之間的電壓（VCE1～VCE4）變化趨勢(shì)。

圖2　不同情況下ic1～ic4及負(fù)載電流iL的變化趨勢(shì)曲線

圖3　不同情況下VCE1～VCE4的變化趨勢(shì)曲線

3.2討論

（1）ic1和ic2。ic1、ic2的變化是由差分放大電路的輸入信號(hào)引起的，單端輸入的差模信號(hào)vid和雙端輸入vid相同，即輸入信號(hào)增大時(shí)ic1增大，ic2減小，這對(duì)于圖2中每一種情況都相同。

（2）ic3和ic4。ic3、ic4是組成鏡像電流源的T3、T4的集電極電流，按照大多數(shù)教材的講授，根據(jù)T3、T4的基極-發(fā)射極電壓相等，則ic3≈ic4。但從圖2看出只有在雙端輸出且RL較小（例如1kΩ）的情況下才滿足ic3≈ic4，且大小基本維持不變；單端輸出時(shí)ic4＞ic3，但變化趨勢(shì)相同；負(fù)載斷開(kāi)時(shí)ic4=ic2和ic3變化趨勢(shì)相反。

（3）負(fù)載電流。負(fù)載斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電流為零。另兩種情況滿足負(fù)載電流iL=ic4-ic2，雙端接負(fù)載時(shí)，由于ic4大小基本維持不變，如圖2所示，所以ΔiL= -Δic2；單端接負(fù)載時(shí)，由于Δic4≈Δic3≈Δic1≈-Δic2，所以ΔiL= -2Δic2。因此，單端接負(fù)載的電流是雙端接負(fù)載時(shí)的2倍。

（4）為了解釋不同的接法造成不同的ic3和ic4的相對(duì)關(guān)系，文中繼續(xù)分析了不同情況下VCE1～VCE4的大小及變化趨勢(shì)。由圖中可以看出e點(diǎn)對(duì)地電位為0.7V，是基本維持不變的，即：

由于T3的基極和發(fā)射極短接，所以T3相當(dāng)于僅利用了發(fā)射結(jié)，即當(dāng)二極管使用。由于發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，所以靜態(tài)時(shí)：

VCE3=VBE3=0.7V

VCE1=6.7-VCE3=6V

靜態(tài)時(shí)，觀察每一種情況下都有：

ic1=ic2=0.7mA

再來(lái)分析每種情況下VCE2，VCE4的值：

RL斷開(kāi)，靜態(tài)時(shí)，T2和T1結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)：

Ic1Q=Ic2Q=Ic4Q≈Ic3Q，

所以根據(jù)（3）式：

VCE2Q=VCE1Q=6V，VCE4Q=VCE3Q=0.7V

雙端接負(fù)載RL時(shí)，電路仍然對(duì)稱(chēng)，負(fù)載電流iL=0，所以靜態(tài)各電流電壓值和RL斷開(kāi)的情況相同。

單端接1kΩ負(fù)載，靜態(tài)時(shí)，電路的對(duì)稱(chēng)性被打破，Ic4Q≠I(mǎi)c3Q，c2點(diǎn)的電位被拉低：

Ic1Q=Ic3Q≈Ic2Q，

Ic4Q=Ic2Q+IL，

VCE2Q≈Ic4Q×RL=0.875V，

VCE4Q=5.825V。

所以單端輸出情況下T4的C、E之間動(dòng)態(tài)范圍可以較大。

動(dòng)態(tài)情況可以看出，接負(fù)載時(shí)，三極管T2、T4工作在線性區(qū)，如圖3所示，而如果不接負(fù)載，沒(méi)有負(fù)載電流iL，沒(méi)有了負(fù)載支路的分流，T4迅速進(jìn)入飽和區(qū)，鏡像電流源不滿足ic3≈ic4，此時(shí)ic2=ic4，ic4和ic3變化趨勢(shì)相反。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)不同情況下的電路仿真，可以發(fā)現(xiàn)，第一，鏡像電流源并不是在何種情況下都能保證ic3≈ic4，由于集電極和基極短接，實(shí)際上相當(dāng)于二極管使用，因此T3、T1各自的集電極-發(fā)射極電壓降幾乎不變，帶負(fù)載的主要是T4、T2一側(cè)。第二，單端輸出時(shí)，由于負(fù)載的作用使T2集電極電位被拉低，VCE4的靜態(tài)工作點(diǎn)為5.825V，明顯區(qū)別于另兩種情況的0.7V，所以如果信號(hào)正向增大時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍更大。第三，RL斷開(kāi)或取值較大的情況下，由于負(fù)載的分流作用失去或者不明顯，造成T4管容易進(jìn)入飽和區(qū)，T3、T4構(gòu)成的鏡像電流源失去其“鏡像”電流的作用，所以ic3、ic4的變化趨勢(shì)相反。

［1］張保華.模擬電路實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社（第1版），2008.

［2］廖萱，王大慶，蘭長(zhǎng)駿.眼視光學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放式管理探討［J］.川北醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25（04）：400-401.

［3］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分［M］.北京：高等教育出版社（第5版），2008.

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

［5］強(qiáng)茂股份有限公司.2N3906 PNP General Purpose Switching Transistor.中國(guó)臺(tái)灣高雄市岡山區(qū)岡山北路24號(hào)（2005）［2005］.www. panjit.com.tw.

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

［7］王爾申，龐濤，李鵬，等.Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，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

四川省教育廳教改課題（川教函［2014］156號(hào)）。

何汶靜（1983—），女，講師，現(xiàn)就職于川北醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系電子技術(shù)教研室，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程。

祝元仲。