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线性差分放大电路的工作原理分析

CHANBAEK 来源:电堂2018 作者:张东辉 2023-10-28 14:46 次阅读

1、工作原理分析

线性差分放大电路如下图所示,元器件表如表1.7所示,理想差分放大电路仅对两信号差值进行放大,而对两输入端的共模信号进行抑制,放大增益通过电阻RG进行调节。

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图1.69 线性增益差分放大电路

表1.7 线性增益差分放大电路仿真元器件列表

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对上图电路应用叠加原理和“虚短”概念,整理得到输出电压表达式如下:

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1、偏置点分析:Bias Point

利用偏置点分析计算小信号电压增益,仿真设置如下图所示。

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图1.70 差模输入偏置点仿真分析设置

差模偏置点仿真分析结果:

小信号特性:

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2、瞬态仿真分析:Time Domain

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图1.71 瞬态仿真分析设置

对电路进行瞬态仿真分析,将共模信号VC幅值设置为0,仿真设置如图1.71所示,仿真时间2ms、最大步长5us,仿真结果如图1.72所示。

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图1.72 输入和输出电压波形

图1.72为瞬态仿真波形,V(IN2,IN1)为等效输入电压波形,V(VOUT)为输出电压波形。

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即输入信号放大100倍。从图1.72可得,当输入信号为0.1V峰值时,输出电压峰值约为10V,差分电路实现100倍放大功能,计算与仿真一致。

对电路进行瞬态仿真分析,将差模信号VD幅值设置为0,共模信号VC设置为1V,仿真设置如图1.71所示,仿真结果如图1.73所示。

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图1.73输出电压波形

图1.73为瞬态仿真波形,V(VOUT)为输出电压波形。

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3、交流仿真分析:AC Sweep

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图1.74 交流仿真分析设置:差模输入VD的AC=0.1、共模输入VC的AC=0

对电路进行交流仿真分析,如图1.74所示,频率范围1Hz—3megHz,每十倍频20点;仿真结果如图1.75所示。

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图1.75 输出电压波形

当电阻RFv=10k时输出电压;计算值与图1.75中仿真结果一致,但是由于该电路放大倍数为100,所以带宽相对比较窄。

4、直流仿真分析:DC Sweep线性增益控制

图片

图1.76 直流仿真分析设置:差模输入VD的DC=0.1,共模输入VC的DC=0

当差模输入直流电压为0.1V、共模输入为0时,对电路进行直流仿真分析,仿真设置如图1.76所示,电阻RG的阻值从1k线性增大至10k,则放大倍数从10线性增大至100,从而输出电压从1V线性增大至10V,仿真结果如图1.77所示,仿真与计算一致。

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图1.77 电阻RG线性变化时输出电压特性曲线

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图1.78 电阻RG线性变化时V(VOUT)/V(VD)特性曲线

5、直流和最坏情况仿真分析:DC Sweep、Worst case

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图1.79 最坏情况仿真设置

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图1.80 最坏情况输出设置:输出最大值

直流和最坏情况仿真设置如图1.79和图1.80所示,输出最大值仿真结果如下:

图片

当VD=0.1V直流时输出最大值为13.362V;此时R2、R3、R5取-5%容差,R1、R4、RG取+5%容差。

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图1.81 最坏情况输出设置:输出最小值

直流和最坏情况仿真设置如图1.79和图1.81所示,输出最小值仿真结果如下:

图片

当VD=0.1V直流时输出最小值为6.7523V;此时R2、R3、R5取+5%容差,R1、R4、RG取-5%容差。

只需调节单电阻RG即可线性调节电路放大倍数,但是普通差分放大电路需要调节R2和R4双电阻,而且两电阻值必须完全相同,所以可调线性增益放大电路在增益调节方面具有很大优势。当电阻容差均为5%时,普通差分放大电路输出电压变化量约为,但是可调增益差分放大电路输出电压变化量却为,所以设计电路时需要综合考虑,取长补短。

2、附录——关键仿真器件模型

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