图2差分放大电路静态工作点解读
典型差分放大电路
典型差分放大电路 1、典型差分放大电路的静态分析1电路组成2静态工作点的计算静态时：v s1=v s2=0, 电路完全对称,所以有I B Rs1+U BE +2I E Re=V EE 又∵ I E =1+βI B ∴ I B1=I B2=I B =通常Rs<<1+βRe,U BE =硅管: I B1=I B2=I B = 因： I C1=I C2=I C =βI B 故： U CE1=U CE2=V CC －I C Rc静态工作电流取决于V EE 和Re;同时,在输入信号为零时,输出信号电压也为零u o= Vc1－VC2=0,即该差放电路有零输入——零输出; 2、差分放大电路的动态分析 1差模信号输入时的动态分析如果两个输入端的信号大小相等、极性相反,即()es BEEE R 12R U V β++-v s1=- v s2= 或v s1- v s2= u idu id称为差模输入信号;在输入为差模方式时,若一个三极管的集电极电流增大时,则另一个三极管的集电极电流一定减小;在电路理想对称的条件下,有：i c1=- i c2; Re上的电流为：i E=i E1+i E2=I E1+ i e1+I E2+ i e2电路对称时,有I E1= I E2= I E、i e1=- i e2,使流过Re上的电流i E=2I E不变,则发射极的电位也保持不变;差模信号的交流通路如图:差模信号下不同工作方式的讨论:①双端输入—双端输出放大倍数：当输入信号从两个三极管的基极间加入、输出电压从两个三极管的集电极之间输出时,称之为双端输入—双端输出,其差模电压增益与单管放大电路的电压增益相同,无负载的情况下:当两集电极c1、c2间接入负载电阻RL时,双端输入—双端输出时的差模电压放大倍数为：bescs1o1s2s1o2o1idoud rRR22uuA+-==--==βvvvvvvbeLrR+-==s'idoud RuuAβ2R//RR'LcL=❖ 输入电阻： 输出电阻：Rod ≈2Rc ② 双端输入—单端输出 ❖ 放大倍数：❖ 输入电阻：Rid=2rbe❖ 单端输出时的等效电阻为： Rod ≈Rc 2共模输入时的动态分析如果两个输入端信号大小相等、相位相同,即： v s1=v s2=u ic 则称为共模输入信号,用u ic 表示 ;其共模交流通路如图:① 双端输入—双端输出输出的共模电压u oc=v c1－v c2=0,双端输出时的共模电压增益为： ② 双端输入—单端输出其共模电压增益为 计算共模放大倍数Av c 时,由于两个输入信号相等,R e 等效为2R e;Av c 的大小,取决于差分电路的对称性,双端输出时等于零;单端输出时交流通路如图所示;()be bs b be s b bs b d dr2i R i 2R i 2i R i 2u R =-+=-=r i i 0u u u A icc2c1ic oc uc =-==v v ec ic c2ic c1ic oc uc 2R Ru u u u A -≈===v v ()be u u r R 2R 2A s cs1o1s2s1o1id o ud +-==-==βv v v v v综上: 2 双端输入单端输出差模电压放大倍数21111d -i i o id o v v v v v v A ==be L c )//(21-r R R β=be'21-r R Lβ= 共模抑制比K CMR 或双端输出时由于Avc 等于零,K CMR 可认为等于无穷大,单端输出时共模抑制比：恒流源电路的基准电流为：I REF ≈I E4= 又因I E3R3≈I E4R2,所以有I0≈I E3≈ 即三极管V3、 V4及R1、R2、R3等值确定,则I0为一定值;差模特性 741型运放A v O 的频率响应 -()dB lg20VCVDCMR A A K =beeeL be L 11CMR ≈2/'2/'r R R R r R A A K vc vd ββ==21BE4EECCRR UV V +-+REF 32E432I R R I R R =bes cs1o1s2s1o2o1ido udr R R 22u u A +-==--==βv v v v v v 0u u u A icc2c1ic oc uc =-==v v VCVD CMR A A K =开环差模电压增益Av O 开环带宽BW f H 单位增益带宽 BW G f T差模特性2. 差模输入电阻r id 和输出电阻r o➢ BJT 输入级的运放r id 一般在几百千欧到数兆欧 ➢ MOSFET 为输入级的运放r id ＞1012Ω ➢ 超高输入电阻运放r id ＞1013Ω、I IB ≤➢ 一般运放的r o ＜200Ω,而超高速AD9610的r o ＝Ω 3. 最大差模输入电压V idmax 共模特性1. 共模抑制比K CMR 和共模输入电阻r ic一般通用型运放K CMR 为80～120dB,高精度运放可达140dB,r ic ≥100M Ω;2. 最大共模输入电压V icmax一般指运放在作电压跟随器时,使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值,高质量的运放可达± 13V;功率放大器性能分析 1 输出功率:cem cm cem cm o V I V I P 2122=•=L cemL cm R V R I 222121==如果输入足够大,使输出达到最大值 ＶCC-VCES ,此时的功率为最大不失真输出功率 Pom ()LCC L CES CC om R VR V V P 2221≈-21=2 电源提供的功率每个电源只提供半个周期的电流,电源提供的平均功率为：)(sin 2120t d t I V P cm CCV ωωππ⎰•=πcmCC I V 2=3 电路的效率电路的效率是指输出功率与电源提供的功率之比:在输出最大V om ≈ＶCC 时得到最大输出功率:4 管耗时t V v om o ωsin = ⎰=πωπ1)-(21t d R v v V P L o o CCT )4-(12omom CC L V V V R π=V om=0时管耗为0 V om= VCC 时管耗为: ππ4421-=L CC T R V P5 最大管耗与输出功率的关系乙类互补对称电路输入为0时,输出为0,管耗也为0,所以输入较小时管耗较小；但输出信号越大并不意味着管耗也越大; 管耗最大发生在0/1=om T dV dP 时 此时：CC CCom V V V 6.0≈2π=om CCL T P V R P 2.0122max 1≈=πCC cemCCL cm cm CC L cm V o V V V R I I V RI P P •=•===442212πππη%5.78≈42/2ππη===cm CC CC cm Vom I V V I P P。
静态工作点的图解分析
静态工作点的图解分析
2. 图解法求解Q点
斜率为-1/RC
• 在输出特性曲线上， 作出直流负载线
vCE=VCC－iCRC，与IB 曲线的交点即为Q点， 从而得到VCE 和IC。
静态工作点的图解分析
3. 交流负载线
短路
vi
VCC RC
RB
RL
由于隔直电容的 作对用地，RL的接入 短对路Q点无影响
Hale Waihona Puke 短路接入负载电阻RL的共射极放大电路
vi
RB
RC RL
交流通路
XC 0，C可看作短路。 忽略直流电源的内阻，
直流电源的端电压恒定， 直流电源对交流可看 作 短路。
静态工作点的图解分析
3. 交流负载线
VCC
AC：过Q点, 斜率为-1/RLˊ
RC
RB
vi
RL
接入负载电阻RL的共射极放大电路
DC Q
vi
RB
模拟电子技术
知识点： 静态工作点的图解分析
静态工作点的图解分析
➢ 没有输入信号（vi=0）时，放大电路 中各处的电压和电流都是不变的直流， 称为直流工作状态或静止状态，简称 静态。
➢ 静态时，BJT各电极的直流电压和直 流电流的数值将在管子的特性曲线上 确定一点，称为Q点。
静态分析的第一步： 画出直流等效电路！
vBE VCC iBRb
300k
RB
vi
C1
1.5k
VCC
RC
+12V
C2
β=100
vo
•列输出回路方程（直 流负载线）
vCE=VCC－iCRC
静态工作点的图解分析
2. 图解法求解Q点 负载线，斜率为-1/Rb
图解法分析放大电路的静、动态掌握放大电路的失真分析
则电压放大倍数：
Au =
ΔuCE Δ uBE
电流放大倍数：
Δ iC Ai = Δ iB
iB/μА
iB
60
IBQ
40
20
O
0
t
iC/mA 4
iC
Q
ΔiB
2
O
0
0.7 uBE/V
t
ΔuBE
UBE
uBE
0.68Q 0.72
交流负载线
iB=80μА
60
Q 40
20
直流负载线
0
4.5 6 7.5 12 uCE/V
-
Q 40
20
直流负载线
N
ΔuCE = - Δic(RC // RL)
0
0
6
12 uCE/V
∵动态时△uCE~ △iC是叠加在直流值UCEQ、ICQ基础上变化的
∴这条直线通过Q点
画法：过静态工作点Q ，作一条斜率为-1/（Rc//RL）的 直线。
交流负载线：描述放大电路的动态工作情况。
[例2.4.2 ] 在单管共射放大电路中，已知输出特性曲线如 下图
+
+
VT ΔuCE
ΔuCE Rc
-
-
N 交流通路的输出回路
——为线性关系。
RL
即交流电压uce、电流ic 是沿
着斜率为：-1/(RL//RC)的直
线轨迹变化的。
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(2)画交流负载线
Δ iC +
M ΔiC
+
iC/mA 4
交流负载线
iB=80μA 60
VT ΔuCE -
ΔuCE Rc RL 2
3.3差分放大电路(二)
例3.3.3 下图中， = 100，试求 (1) Q ；(2) Aud，Rid，Ro
解：(1) 求Q 点
I REF
6 0.7 VEE U BE4 mA 6.2 0.1 R1 R2
RC 7.5 k +VCC +6 V
uo
100 IC3
RC 7.5 k
V2
I 0 I REF
原理电路
采用 V3 管代替 R
当 V1、V2 几何尺寸相同时： I0 = IREF=(VDD+VSS-UGS)/R 当 V1、V2 几何尺寸不同时： I0 IREF
二、具有电流源的差分放大电路
二、具有电流源的差分放大电路 续
MOS管差分放大电路
例3.3.3 下图中， = 100，试求 (1) Q ；(2) Aud，Rid，Ro
3.3.3 差分放大电路的输入、输出方式
一、四种输入输出方式
单端输入是双端输入的特例而言 即 ui1 = ui ， ui2 = 0 故单端输入时的分析方法与双端输入时一样
休 息
例3.3.4
下图中，已知 =120，UBEQ=0.7V，rbb′=200 ， VCC=VEE =12V ，求：（1）V1、V2的静态工作点ICQ1、 UCQ1和ICQ2、UCQ2 ；(2)求单端输出的Aud1 、Rid 、Ro、 Auc1 、KCMR 。
讨论小结
1. 差分放大电路的结构和性能有何特点？ 答： 电路结构左右对称，具有两个输入端，可以双 端输出。 对差模输入电压具有放大作用，对共模信
号和零点漂移具有很强的抑制作用。
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2. 差分放大电路中，公共发射极电阻RE对共模信号有何影响，为什么？对差
模信号有何影响，为什么？为何要用恒流源代替公共发射极电阻RE ？
放大电路的图解分析
华中科技大学电信系 张林
4.3 放大电路的分析方法
4.3.1 图解分析法 1. 静态工作点的图解分析 2. 动态工作情况的图解分析 3. 非线性失真的图解分析 4. 图解分析法的适用范围
4.3.2 小信号模型分析法 1. BJT的H参数及小信号模型 2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路 3. 小信号模型分析法的适用范围
2
Lec 04-3
华中科技大学电信系 张林
4.3.1 图解分析法
1. 静态工作点的图解分析
• 列输入回路方程 vBE =VCC－iBRb
• 列输出回路方程（直流负载线） vCE=VCC－iCRc
VCC
Rc Rb
IB b
＋
c IC
＋
T VCE
e VBE
－
－
直流通路
3
Lec 04-3
华中科技大学电信系 张林
t
vCE/V
vCE/V
VBEQ t
VCEQ t
# 动态工作时， iB、 iC的实际电流方向是否改变，vCE的实 际电压极性是否改变？
7
Lec 04-3
华中科技大学电信系 张林
4.3.1 图解分析法
2. 动态工作情况的图解分析
• BJT的三个工作区 饱和区特点：
iC/mA 饱和区
240A
iC不再随iB的增加而线 性增加，即
ICM
Q1
200A 160A
iC iB 此时 iB ICM vCE= VCES ，典型值为0.3V 。
放大区 Q
120A 80A
iB=40A
截止区特点：
Q2
0
iB=0， iC= ICEO 。
VCES 截止区
放大电路的静态工作点
放大电路的静态工作点
静态工作点是指三极管放大电路中，三极管静态工作点就是交流输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些电流、电压的数值可用bjt特性曲线上一个确定的点表示，该点习惯上称为静态工作点q 。
原因：
可以通过发生改变电路参数去发生改变静态工作点，这就可以设置静态工作点
若静态工作点设置的不合适，在对交流信号放大时就可能会出现饱和失真（静态工作点偏高）或截止失真（静态工作点偏低）。
所谓静态工作点，是指当放大电路处于静态时，电路所处的工作状态。
在ic/uce 图上表现为一个点，即当确定的vcc、rb、rc和晶体管状态下产生的电路工作状态。
当其中一项改变时引起ib变化而引起q点沿着直流负载线上下移动。
静态
当放大电路没有输入信号时的工作状态，因为vcc、rb、rc、和晶体管不变，所以电路中各参数都是不变的。
这就是静态。
1-2差分放大电路
差分放大电路一般有同两，则个反该输之输入，入端如端：果称所为得同到相的输输入出端。
同相输入端，
信号的极性与其相反，则该输
反相输入端。
入端称为反相输入端。
信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端
和反相输入端，称为双端输入； 若信号仅从一个
输入端对地加入，称为单端输入。
差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电 极C1，另一个是集电极C2。
2.0抑制零漂的原t 理
(1)零DV漂D 的R3产生
Rc3
+VCC
C3
b1
D1
T1
+
C－
R C1 2
b2
D2
VCC/2 K
T2
uo
ui
b3 R
ui=
0 1
Re3
T3
Ce
RL
注：零漂现象在如上图所示的直接耦合 电路中危害尤甚 , IC 内部电路大都采用直 接耦合方式,必须有效地抑制零漂。
4.抑制零点漂移的原理
R’L=RC // ( RL / 2 )
只由一个 管输出电压
VC
C
(1)差模差电分压放大增器益必 共射电
AuD1=(须1/配2)以A单uD端=输－出 R’路L 是/ (单2r端be
)
适应后级。
输入的
双入单出差模电压增益推导
双入b1 单Tic11c出1压带R－+增Cu负o益1 载u－RR+o2CL时c差2icT22模b电2
VC
C
单b1入Ti+c1+1双cu1i1 出电/R－++Cu带压ou1o负增－u－R+o2载益C c-时2uicTi－12差2/ b模2
差分放大电路
+Vcc
R3
R4 +15V
15k + Vo - 15k
RL 10k
+ R1 Vi 1k
T1
T2
R2
1k
-
Re 1K
差动放大电路
当两个输入端并接到一起，
且加入共模信号Vic时，
Vc1
Vc2
R1
rbe
Rc
(1
)2Re
Vic
即仍有Vo=Vc1−Vc2=0V，
+Vcc
R3
R4 +15V
15k + Vo - 15k
端信号中不同的部分
差分放大电路——一般结构
1、差模信号和共模信号的概念 ＋
vi1 ＋
＋
+vid/2
差模电压增益
Avd
=
vo vid
＋ vic
－
－
－
vid
-vid/2
＋
－
差放
vo －
vi2
vo ——差模信号产生的输出 差分式放大电路输入输出结构示意图
共模电压增益
Avc
=
vo vic
vo ——共模信号产生的输出
差分放大电路——一般结构
1、差模信号和共模信号的概念
差模信号
vid = vi1 vi2
共模信号
+
+-vid
vi1
+
vi2
--
差放
+-vo
+
+
vo1
vo2 -
-
vic
=
1 2
(vi1
vi2 )
差分式放大电路输入输出结构示意图
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图2 差分放大电路静态工作点摘要：简要介绍Multisim8软件的特点，并对差分放大电路进行仿真分析，研究其如何实现对差模信号放大和对共模信号抑制。
仿真结果与理论分析计算一致，在课堂上使模拟电子技术教学更形象、灵活、更贴近工程实际,达到帮助学生理解原理,更好地掌握所学的知识的目的。
对提高学生动手能力、分析问题和解决问题的能力具有重要的意义。
关键词：Multisim；差分放大电路；仿真分析；差模信号；共模信号中图分类号：TN707 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2009)04-014-02Analysis of Differential Amplifier Circuit Simulation Based onMultisimXIONG Xujun(Lanzhou City College,Lanzhou,730070,China)Abstract：Features ofMultisim8 software and differential amplifierfor the simulation analysis are introduced,research on how to enlarge differential mode signal and restrain common mode signal.Thesimulation results calculated in line with the theoreticalanalysis,in the classroom teaching of electronic technology tosimulate more image,flexible and closer to actual projects,to help students understand theory,a better grasp of the knowledge acquiredby the purpose It has great significance to enhance studentspractical ability and analysis of issues and problem-solving abilitie.Keywords：Multisim;differential amplifier;simulationanalysis;differential mode signal;common mode signal差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。
但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点［1,2］。
Multisim 作为著名的电路设计与仿真软件,它不需要真实电路环境的介入,具有仿真速度快、精度高、准确、形象等优点。
因此,Multisim被许多高校引入到电子电路实验的辅助教学中,形成虚拟实验和虚拟实验室。
通过对实际电子电路的仿真分析,对于缩短设计周期、节省设计费用、提高设计质量具有重要意义。
1Multisim8软件的特点Multisim是加拿大IIT (Interactive Image Technologies)公司在EWB (Electronics Workbench)基础上推出的电子电路仿真设计软件,Multisim现有版本为Multisim2001，Multisim7和较新版本Multisim8。
它具有这样一些特点:(1) 系统高度集成，界面直观，操作方便。
将电路原理图的创建、电路的仿真分析和分析结果的输出都集成在一起。
采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。
操作方法简单易学。
(2) 支持模拟电路、数字电路以及模拟/数字混合电路的设计仿真。
既可以分别对模拟电子系统和数字电子系统进行仿真，也可以对数字电路和模拟电路混合在一起的电子系统进行仿真分析。
(3) 电路分析手段完备,除了可以用多种常用测试仪表（如示波器、数字万用表、波特图仪等）对电路进行测试以外，还提供多种电路分析方法，包括静态工作点分析、瞬态分析、傅里叶分析等。
(4)提供多种输入/输出接口,可以输入由PSpice等其他电路仿真软件所创建的Spice网表文件，并自动形成相应的电路原理图，也可以把Multisim环境下创建的电路原理图文件输出给Protel等常见的印刷电路软件PCB进行印刷电路设计［3,4］。
2 差分放大电路仿真分析运行Multisim 8，在绘图编辑器中选择信号源、直流电源、三极管、电阻，创建双端输入双端输出差分放大电路（双入双出差分放大电路）如图 1所示，标出电路中的结点编号。
该次仿真中，采用虚拟直流电压源和虚拟晶体管，差分输入信号采用一对峰值为5 mV、频率为1 kHz的虚拟正弦波信号源。
设置虚拟晶体管的模型参数BF=150，RB=300 Ω［5］。
图1 双入双出差分放大电路2.1 差模放大性能仿真分析2.1.1 直流分析直流分析实际上就是确定静态工作点。
选择Simulate菜单中的Analysis命令,然后选择DC Operating Point子命令,分析结果如图2所示。
用静态工作点分析方法得UBEQ1?=UBEQ2?=0.69 V，UCEQ1?=UCEQ2?=V3-V2?8.94 V，与题中理论计算结果完全相同。
2.1.2 差模放大倍数分析加差模信号?ui1?,ui2?，分别接入电路的左右输入端，电阻R1作为输出负载，则电路的接法属于双入双出。
将四通道示波器XSC1的3个通道分别接在信号源ui1?和负载R1两端，?如图1所示［6,7］。
运行并双击示波器图标XSC1，调整各通道显示比例，得差分放大电路的输入/输出波形如图3所示。
用示波器观察和测量输入电压和输出电压值，差模信号单边电压V1?-3.597 mV(5 mV/Div),单边输出交流幅值约为170.124 mV(500 mV/Div),所以双入双出差分放大电路的差模放大倍数Au?-170.124/3.597?=-47，与单管共射的放大倍数相同，即差分放大电路对差模信号具有很强的放大能力。
仿真结果与题中理论计算结果相同。
2.2 共模抑制特性仿真分析2.2.1 共模放大倍数分析在图1中，将信号源ui2?的方向反过来，即加上共模信号，运行并双击示波器图标XSC1，调整A，B通道显示比例，可得如图4所示波形［4］。
由图4波形可知,在峰-峰14 mV(有效值为5 mV?)的共模信号作用下,输出的峰值极小,峰-峰值为13 mV,?因此单边共模放大倍数小于1。
且uc1?和uc2?大小相等，极性相同。
所以，在参数对称且双端输出时，共模放大倍数等于0，说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制能力。
显然，仿真结果与理论分析结果一致。
图2 差分放大电路静态工作点图3 双入双出差分放大电路输入输出波形图4 差分放大电路共模信号输入输出波形2.2.2 共模抑制比分析选择Simulate菜单中的Analysis命令，然后选择Transient Analysis子命令，选择结点3，4作为输出，单击Simulate按钮；选择Simulate菜单中的后处理器Postprocessor子命令，在Expression列表框中编辑“V（＄4）-V （＄3）”，?然后打开Graph选项卡，可画出差分放大电路共模输入双端输出波形，见图5。
可见，波形属于噪声信号，且幅值极小，可忽略不计。
因此，差分放大电路双端输出时，其共模抑制比KCMR?趋于无穷大。
如果再将图1所示的电路中发射极电阻R2改为恒流源，重复前面步骤，再分析共模特性，可得出结论：具有恒流源的差分放大电路的共模抑制比KCMR?更高［6,8］。
3 结语应用Multisim8软件对差分放大电路进行仿真分析,结果表明仿真与理论分析和计算结果一致,应用Multisim进行虚拟电子技术实验可以十分方便快捷地获取实验数据,突破了在传统实验中硬件设备条件的限制,大大提高了实验的深度和广度。
利用仿真可以使枯燥的电路变得有趣,复杂的波形变得形象生动,并且不受场地(可以在教室、宿舍),不受时间(课内、课外)的限制,通过教师演示和学生动手设计、调试,不但可以使学生更好地掌握所学的知识,同时提高了学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力［9，10］。
图5 差分放大电路共模输入双端输出波形参考文献［1］侯勇严,郭文强.PSpice在差分放大电路分析中的应用研究［J］.微计算机信息，2006,22(9):303-305.［2］康华光，陈大钦.电子技术基础（模拟部分）［M］.北京:高等教育出版社，1999.［3］叶建波.用Multisim8软件实现电子电路的仿真［J］.电子工程师，2005，31(7):18-20.［4］郑步生,吴渭.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用［M］ .北京:电子工业出版社,2002.［5］华成英.模拟电子技术基本教程［M］.北京：清华大学出版社，2006.［6］从宏寿,程卫群,李绍铭.Multisim8仿真与应用实例开发［M］.北京：清华大学出版社，2007.［7］王传新.电子技术基础实验［M］.北京：高等教育出版社,2006.［8］路而红.虚拟电子实验室［M］.北京:人民邮电出版社，2001.［9］毛哲,张双德.电路计算机设计仿真与测试［M］.武汉:华中科技大学出版社,2003.［10］钟化兰.Multisim8在模拟电子技术设计性实验中的应用研究［J］.华东交通大学学报,2005,22(4):88-89.作者简介熊旭军男,1962年出生，甘肃天水人，副教授。
主要从事电子技术基础教学与研究工作。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
(责任编辑：背包走天下)。