单位文秘网 2022-02-24 08:13:40 点击: 次
摘 要:模拟电路中常用的差分放大电路是构成直接耦合放大电路的基本电路单元,对于放大微弱信号有着极其重要的作用。本文分析了差分放大电路的基本性能和输入输出的四种不同接法,然后在理论分析的基础上,利用Multisim仿真软件提供的基本仿真分析方法,分别对差分放大电路的双端输出和單端输出进行了详细的仿真分析,测量了电路的静态工作点,电路的差模、共模特性,并对电路的输入、输出波形进行了分析。
关键词:Multisim;差分放大电路;仿真分析
中图分类号:TN7 文献标识码:A 文章编号:2095-8595 (2017) 03-086-004
电子科学技术 URL: http://.cn DOI: 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.03.021
引言
模拟电子技术中常使用的模拟量在经过传感器之后转换的电信号都比较微弱,为了能更好的测量这些微弱信号,一般都会对其进行放大处理。但是对于模拟量转换的电量为变化缓慢的非周期性信号时,例如温度、流量、液面等模拟量,对于这种信号一般采取通过直接耦合放大电路放大后再驱动负载,但是直接耦合放大电路会有零点漂移现象(输入电压为零而输出电压的变化不为零),为了抑制零点漂移一般采用特性相同的管子使得它们的温度漂移相互抵消,这样的电路称为差分放大电路[1,2]。差分放大电路是直接耦合放大电路的基本组成单元,该电路对于不同的输入信号有不同的作用,对于共模信号起到很强的抑制作用,而对差模信号起到放大作用,并且电路的放大能力与输出方式有关。
1 差分放大电路设计
差分放大电路又称为差动放大电路,当该电路的两个输入端的电压有差别时,输出电压才有变动,因此称为差动[1]。差分放大电路是由静态工作点稳定的放大电路演变而来的。如图1所示是基本的共射放大电路,忽略基极电阻Rb的静态电压,则发射极电流:
(1)
其静态工作点基本稳定。但是温度变化会使得集电极电流ICQ发生微小的变化,采用直接耦合的方式会进一步放大该变化,引起静态工作点的变化。在输出位置构建有一个完全一样的镜面电路,如图2所示,当输入信号UI1和UI2是大小相等、极性相同的共模信号时,电路参数一致,所以电流变化量和电压变化量相等,输出电压为两个晶体管集电极电位差,可以得到共模输出电压为:
(2)
说明差分放大电路对共模信号起到了很强的抑制作用,理想情况下共模输出为零。同理可得,当输入信号UI1和UI2是大小相等、极性相反的差模信号时,电流变化量和电压变化量大小相等、方向相反,可以通过uo=uC1-uC2=2uC1可知放大了输入信号。由于图2中的Re1和Re2使得电路的放大能力变差,因此将两个电阻合并成一个电阻Re,如图3(d)所示。由于输入的差模信号使得Re中的电流变化为零,相当于短路,所以提高了电路对差模信号的放大能力。图3(d)电路是基本的差分放大电路,其中Re既能抑制零点漂移也决定晶体管的静态工作点电流[1-4,7]。
2 差分放大电路四种接法
根据输入输出方式的不同,将电路分成四种形式,具体电路见图3。单端输出的差分放大电路在T1管的集电极连接了一个负载电阻RL然后直接接地,同时取消了T2管的接线端,具体电路如图3(b)所示。单端输入的差分放大电路仅仅只有一个输入,另外一个输入口直接接地,具体电路如图3(b)所示[2]。此时电路不再对称,静态工作点和其他动态参数也发生了改变,同时由于差分放大电路的放大能力只和输出形式有关,因此可将电路分成单端输出和双端输出两大类进行分析。
类比基本差分放大电路的分析,可以得出单端输出和双端输出的差分放大电路的部分特性如下:
单端输出时,差模电压放大倍数Aud、共模电压放大倍数Auc和输出电阻Ro为
(3)
(4)
(5)
双端输出时,差模电压放大倍数Aud、共模电压放大倍数Auc和输出电阻Ro为[1,2,6]
(6)
(7)
(8)
3 差分放大电路仿真分析
选取双端输入、双端输出和双端输入、单端输出这两种连接方式,利用Multisim对电路的静态工作点、输入输出波形、差模特性、共模特性等四个方面进行详细的定量仿真分析。
(1)双端输入、双端输出差分电路仿真分析
取RC1=RC2=10kΩ,Re=20kΩ,VCC=12V,VEE=-12V,晶体管β=80,rbb"=200Ω,在Multisim仿真软件中画出图3(d)双端输出、双端输入的仿真电路图,断开输入信号,将T1、T2管的基极均接地,用万用表分别测量晶体管的集电极和晶体管共发射极的电压,如图4(a)所示,测得值分别为9.171V、9.171V和-571.92mV。即可得出静态工作点
(9)
(10)
(11)
接入函数信号发生器,输入信号设置为振幅10mV,频率2 kHz,相位相反的正弦波,链接到T1和T2管的基极端口如图4(b)所示,测得晶体管基极之间的交流有效电压Uid=14.142mV,输出端的交流有效电压Uod=718.445mV。计算可得差模电压放大倍数Aud=-Uod/Uid ≈-50.8,运行仿真,示波器的波形如图4(c)所示,可以看出输入波形和输出波形相位相反,放大了大约51倍,和理论计算值十分接近。将输入设为振幅10 mV,频率2 kHz,相位相同的正弦波时,测得输出端的交流有效电压Uoc≈0V,因此共模电压放大倍数Auc≈0。
(2)双端输入、单端输出差分电路仿真分析
将RL的阻值改为10kΩ,其他参数不变,在Multisim仿真软件中画出图3(c)双端输入、单端输出的仿真电路。同理用万用表分别测量晶体管的集电极和晶体管共发射极的电压,如图5(a)所示,分别为4.635V、9.075V、-572.829mV,即可得出该差分放大电路静态工作点
(12)
(13)
(14)
(15)
接入函数信号发生器,输入信号设置为振幅10mV,频率2kHz,相位相反的正弦波,连接方式如图5(b)所示。点击运行仿真按钮,测得晶体管基极之间的输入端交流电压有效值Uid=14.142mV输出端的交流电压有效值Uod=360.397mV,计算可得差模电压放大倍数Aud=-Uod/Uid≈-25.48,示波器显示波形如图5(c)所示,输入波形和输出波形相位相反。将输入设为振幅10 mV,频率2 kHz,相位相同的正弦波时,通过万用表测得输入端的交流有效电压Uic=7.071mV,输出端的交流有效电压Uoc≈845.836 µV,因此共模电压放大倍数Auc=-Uoc/Uic≈0.1196,可见单端输出比双端输出的共模放大倍数更大[1,2,5]。
4 结束语
利用Multisim仿真软件只需要画出对应的电路图,就可以获取精确的实验数据,得到直观的波形图,使用简单方便,仿真分析精度也有很强的保证。本文分析了差分放大电路的组成,利用Multisim对差分放大电路的功能进行仿真,仿真分析的结果和理论结果十分接近,最终得出结论:差分放大电路自身结构对称的特点,其放大能力只和输出形式有关,与输入形式无关,并且对差模信号起到放大作用,对共模信号起到抑制作用。通过仿真软件仿真电路加深了对差分电路原理的理解,对掌握功率放大电路、集成运算放大电路和其他实用电路的原理以及设计方法都有重要意义。
参考文献
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