概念引入

  • 信号类型:

    差分信号:单端信号在远距离传输过程中,不可避免的要受到外界电场的干扰。将单端信号改为差分信号(Differential signal)。所谓的差分信号,同样需要两个线,但两根线都是信号线,一根是正信号线,一根是负信号线。当收到干扰时,就会同时加到两根线上(后面所说的共模信号)

    号线,它们之间的相位是刚好相反的

    共模信号:大小相等,相位相同

    差模信号:大小相等,相位相反

差分信号的内部形式

图1.1 差分信号的内部形式

通过上述图片,能够基本了解到差模信号的构成。比如我们自己要实现一个正负5V的信号,就可以用两个5V电源串联,中间接地的形式,制造出正5V和负5V的两个电势点

含共模和差模的信号

图1.2 含共模和差模的信号

是差模信号

是共模信号

  • 差动放大器构想

    如果对差分信号,进行放大,获得关系如下:

    输出为段的差值:

    差分信号远距离传输中抑制干扰的过程

图1.3 差分信号远距离传输中抑制干扰的过程

主要是最后的输出环节:共模信号会被减掉(大小相同,相位也相同)

差分放大器构成

雏形

差动放大器雏形

图2.1 差动放大器雏形

-VEE:使用负电压的原因时,如果要给三极管基极供电(静态),你看过谁家电源直接串联的(不应该是一段接地吗?)

180度:反相位不就是180度吗?

“差动放大器雏形”的仿真结果

图2.2 “差动放大器雏形”的仿真结果

放大倍数:

存在问题:

  • 这个电路对我们期望的差模信号,和我们不期望的共模信号一视同仁,这让科学家感到不爽
  • 这个电路是衰减的
  • 抑制共模的核心机理,依赖于两个放大电路的完全对称,这在实际应用中很难做到

标准差动放大器

标准差动放大器

图2.3 标准差动放大器

​ 变动:将原本的RE1 和 RE2 合并成了一个 RE

​ 关键在于差模电压信号流过的途经,与共模电压信号流过的途经不同,导致其遇到的电阻不同,使得基极电流不同。

​ 在处理差模信号时,当左边的 uI+处有一个微小的电压增量,会引起 iB有一个增量 ib,右边的 uI-处由于具有相同的电压减量,会引起 iB 有一个减量,数值也是 ib,由于两个管子的β 相同,则图中 A 点左侧的 iE1 变大多少,A 点右侧的 iE2 就减小多少,这保证了流过 RE 的总电流维持不变,即 A 点对地电位不发生变化。电压不变点,在动态等效电路中可以接地处理。

静态分析:

共模信号(动态分析):

差模信号(动态分析):

标准差动放大器分析-含有负载

标准差动放大器含差分负载

图2.4 标准差动放大器含差分负载

分析方法:

含差分负载时输出端等效

图2.5 含差分负载时输出端等效

方法一:将电流源等效为电压源(等效方法,可以参考电路基础的相关部分)

方法二:当差模信号输入时,两个输出端一个有负向变化,则另一个一定有同等大小的正向变化,对于负载来说,其电阻的中心点是没有电位变化的,因此可以视为动态地电位。将负载电阻一分为二,每个都是0.5𝑅load,它们的连接处接地

如,按照方法一,可列出公式:

差分放大器-四种基本接法

​ 参考视频教程:电子工程师华哥

单端输入-单端输入

单端输入单端输出

图3.1 单端输入单端输出

​ 分析:

​ 假设条件:左侧输入,三极管放大倍数10倍

​ 左侧:电路为共射放大电路,反相放大。

​ 右侧:电路为共基放大电路,同相放大。

​ 关键点分析:左侧IB增大,会引起IE增大。而IE会流向右侧,并且两边电路是完全对称的,右边势必就会产生一样减小量。因此,我可以将右侧理解为左侧差模信号作为输入的共射极放大电路(负负得正,和左侧信号同相),或者是左侧IE变化(按比例分到了IB)作为输入的共基极放大电路(同相放大)

所以,得出结论,单端输入在同侧输出,为反相放大;在异侧输出,为同相放大;

单端输入-双端输出

单端输入-双端输出

图3.2 单端输入-双端输出

​ 分析:

原理和单端输出一样。但输出为:同侧 减 异侧 。明显放大倍数增长了一倍

双端输入-单端输出

双端输入-单端输出

图3.3 双端输入-单端输出

​ 分析:

原理和单端输出一样。但单侧输出为:同侧的反相放大 加 右侧的同相放大 ,因此放大倍数增长了一倍

双端输入-双端输出

双端输入-双端输出

图3.4 双端输入-双端输出

共模抑制比及其提高方法

共模抑制比

​ 我们希望差动放大器能够尽量放大差模信号,尽量抑制共模信号——定义名词:共模抑制比

​ 对单端输出形式有:

提高共模抑制比

提高共模抑制比的难点:

​ 对单端输出形式,要想提高共模抑制比,增大电流放大倍数 β,或者增大电阻 RE,看起来都是可行的方法。

存在问题:

  • β的增长有限
  • 改变Re时,为了维持静态工作点不变。ICQ不变,则必须保证 IEQ 不变。将 RE 变为 1MΩ,又维持 IEQ 不变,只能将VEE由现在的-12V 变为-12000V 左右。这个要求实在让人难以接受。
  • 使用恒流源提高共模抑制比

​ 用一个晶体管 Q3 组成的恒流源电路(恒流源静态电阻小,动态电阻大)代替了原先的 RE

N 沟道 MOSFET 组成的含恒流源差动放大器

图4.1 N 沟道 MOSFET 组成的含恒流源差动放大器

​ 分析共模信号:

得: