差分放大電路在教學中的研究

廣東理工學院 宮占霞

模擬電子技術是電氣自動化、自動化、通信、電子等專業的專業基礎課，也是在教學過程中學生反映較為難學的一門課，差分放大電路就是其中的難理解的知識點之一，差分放大電路的差模輸入信號與共模輸入信號的作用結果易混淆。本文將以差分放大電路為例，采取一些易懂的辦法梳理此知識點。

1 引言

差分放大電路具有電路對稱性的特點，此特點可以起到穩定工作點的作用，被廣泛用于直接耦合電路和測量電路的輸入級。但是差分放大電路結構復雜、分析繁瑣，特別是其對差模輸入和共模輸入信號有不同的分析方法，難以理解，易于混淆，是模擬電子技術基礎課程的難點與重點。

差分放大電路有差模和共模兩種基本輸入信號，由于其電路的對稱性，當兩輸入端所接信號大小相等、極性相反時，稱為差模輸入信號；當兩輸入端所接信號大小相等、極性相同時，稱為共模信號（康華光.電子技術基礎[M].高等教育出版社,2006:256-310）。

通常我們將要放大的信號作為差模信號進行輸入，而將由溫度等環境因素對電路產生的影響作為共模信號進行輸入，因此我們最終的目的，是要放大差模信號，抑制共模信號。在后面的介紹中會介紹差分放大電路如何實現此功能。

差分放大電路按輸入輸出方式分：雙端輸入雙端輸出（簡稱雙入雙出）、雙端輸入單端輸出（簡稱雙入單出）、單端輸入雙端輸出（簡稱單入雙出）、單端輸入單端輸出（簡稱單入單出）（童詩白.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社,2010:154-172）。但對于共模信號而言，根據對共模信號的定義，共模輸入的差分放大電路只有雙入雙出和雙入單出兩種基本電路。下面分別對差分放大電路的四種基本電路的差模增益和共模增益進行介紹。

圖1 雙入雙出

圖2 雙入雙出交流通路

2 差模增益

2.1 雙入雙出

如圖1所示雙入雙出電路，當輸入端時，由于電路的對稱性，兩管的發射極電流大小相等，方向相反，因此流過電流源的電流為零，即，等效電路如圖2所示。圖2電路的小信號模型如圖3所示。

圖3 單邊小信號等效電路

雙入雙出的差模電壓增益為：

由上式可知，雙入雙出的差模電壓增益為差分放大電路單邊共射電路的電壓增益。根據圖3可得：

當在兩管集電極端加負載電阻RL時，從兩管集電極流出的電流大小相等，極性相反，即流過負載電阻兩端的電流大小相等，極性相反，因此，在負載電阻RL中間的位置點位為零。

可理解為，單邊共射電路所接負載電阻為RL/ 2，由基本放大電路的分析方法可得：

2.2 雙入單出

如圖2所示電路，當只有一端vo1有輸出時，仿照上述求法，可得：

若只有一端有輸出時，仿照上述求法，可得：

2.3 單入雙出

如圖4所示為差模信號單端輸入時的差分放大電路，即：

圖4 單入雙出

圖5 單入雙出等效電路

對于圖4我們可以將vi1輸入信號分解為兩個大小相等、相位相同的輸入信號vid/ 2共同作用；vi2分解為兩個大小相等，相位相反的輸入信號vid/ 2與-vid/ 2共同作用，即變為雙入雙出的電路分析，如圖5所示。此時的差模電壓增益與雙入雙出的差模電壓增益相同，為：

2.4 單入單出

單入單出的分析辦法同單入雙出的分析辦法，將vi1輸入信號分解為兩個大小相等，相位相同的輸入信號vid/ 2共同作用；vi2分解為兩個大小相等，相位相反的輸入信號vid/ 2與-vid/ 2共同作用，此時的差模電壓增益與雙入單出的電壓增益相同，為：

3 共模電壓增益

3.1 雙入雙出

有圖1可知，共模輸入信號的加入，使得差分放大電路的兩管發射極電流大小相等，方向相同，因此流過電流源的電流為2ie，將電流源的內阻等效到兩管的發射極，電阻放大兩倍變為2ro。如圖6所示。

圖6 雙入雙出

圖7 單邊小信號等效電路

由于電路的對稱性，當兩管輸入端加大小相等相位相同的信號時，在輸出端同樣得到大小相等，相位相同的信號。因此圖6的共模電壓增益為：

上式說明，差分放大電路可以抑制共模信號。

3.2 雙入單出

單邊共射放大電路的小信號模型如圖7所示，根據定義，可得：

由上式可知，電流源越理想，ro越大，共模電壓增益越小，差分放大電路抑制共模信號的能力越強。

4 總結

差分式放大電路通常是構成模擬集成電路的基本組成單元，對直流信號與交流信號均具有放大作用；對差模信號可以進行放大，對共模信號可以很好的抑制。本文介紹了差分放大電路的四種典型電路，并對這四種電路進行的整合，讓學習者更容易掌握與理解。