單端輸入差分放大電路輸入信號的等效變換

1、單端輸入差分放大電路輸入信號的等效變換任 駿 原 （渤海大學 物理系 遼寧 錦州 121000）摘要：對單端輸入差分放大電路發(fā)射極耦合傳輸?shù)姆治龇椒ㄟM行了深入研究，利用電路分析的方法將單端輸入信號等效變換成差模輸入信號、共模輸入信號的疊加，指出等效變換時并不需要發(fā)射極電阻Re很大的條件，Re的取值大小只反映對共模輸入信號的抑制程度。與輸入信號用數(shù)學方法等效變換進行了對比，得出兩種輸入信號的等效變換方法具有等效性的結(jié)論。并介紹了單端輸入差分放大電路的教學處理方法。 關鍵詞： 差分放大電路；單端輸入；等效變換 中圖分類號： TN722.5+7 文獻標識碼： A The Equivalent Tra

2、nsformation of Input Signal inSingle-end Input Differential AmplifierRen Jun-yuan（Department of physics, Bohai University，Jinzhou 121000，China）Abstract: Analysis methods to emitter coupling transmission in differential amplifier have been researched. Through circuit analysis, single end input signal

3、s have been converted to superposition of common-mode signals and difference-mode signals. Condition of big emit resistance Re is not necessary when perform this equivalent transform. The value of Re only reflects the suppression degree of common-mode signals. Compared with mathematical transformati

4、on methods of input signal, conclusion that the two methods are equivalent has been drawn. At last, teaching processing methods to single-end input differential amplifier are introduced.Keywords: differential amplifier, single-end input, equivalence transformation1 問題的提出分析圖1所示的長尾式單端輸入差分放大電路的動態(tài)性能，常用的

5、方法是將單端輸入信號進行等效變換，變換成差模輸入信號、共模輸入信號共同作用，再分別分析差模特性和共模特性。圖1 長尾式單端輸入差分放大電路目前，一些教材及文獻介紹的輸入信號等效變換方法有兩種：輸入信號用數(shù)學方法等效變換12 和輸入信號發(fā)射極耦合傳輸?shù)刃ё儞Q34，但均未深入分析兩種處理方法之間的關系，沒有對發(fā)射極耦合傳輸?shù)刃ё儞Q進行深入研究，因而出現(xiàn)了兩種輸入信號等效變換方法的條件、結(jié)論不一致的現(xiàn)象，給單端輸入差分放大電路的教學帶來許多疑點問題。本文對單端輸入差分放大電路發(fā)射極耦合傳輸?shù)刃ё儞Q的分析方法進行了深入研究，利用電路分析的方法將單端輸入信號等效變換成差模輸入信號、共模輸入信號的疊加，并

6、與輸入信號用數(shù)學方法等效變換進行了對比，得出兩種方法具有等效性的結(jié)論，并介紹了單端輸入差分放大電路的教學處理方法。 以下分析，假設電路中對稱元件的參數(shù)相同。作者簡介：任駿原（1955），男，大學，副教授，主要從事電子技術(shù)教學和科研工作，E-mail：renjunyuan 2 單端輸入信號兩種等效變換方 法的比較及疑點問題1）方法1輸入信號用數(shù)學方法等效變換12 由圖1，左邊輸入端的輸入信號等效變換為 （1） 由圖1，右邊輸入端的輸入信號等效變換為 （2）變換后，左右兩邊每邊等效為差模、共模兩個信號源串聯(lián)，每邊的差模輸入信號為 和 ，總的差模輸入信號為 ui ；每邊即總的共模輸入信號為 。等效變

7、換后的輸入信號作用位置是輸入端和地之間，輸入信號的接地方式已經(jīng)改變，如圖2所示。分析差模特性時，由于信號差模輸入，T1、T2管的發(fā)射極電流以大小相等、方向相反的形式通過發(fā)射極電阻Re ，Re中的總電流為零、Re兩端電壓為零，所以發(fā)射極電阻Re 短路處理。分析共模特性時，由于信號共模輸入，T1、T2管的發(fā)射極電流以大小相等、方向相同的形式通過發(fā)射極電阻Re ，Re中的總電流不為零、Re兩端電壓不為零，發(fā)射極電阻Re 引入了共模負反饋抑制共模信號。方法1的特點是，變換方法簡單，但由于用數(shù)學方法進行輸入信號的等效變換，沒有輸入信號在輸入回路傳輸過程的分析。2）方法2輸入信號發(fā)射極耦合傳輸?shù)刃ё儞Q 3

8、4圖1電路，輸入信號ui 加在左邊輸入端和地之間，從T1發(fā)射極產(chǎn)生的跟隨信號電壓ue耦合傳輸至T2的發(fā)射極，作用在右邊T2的發(fā)射極和地之間。在滿足發(fā)射極電阻Re 很大的條件時，Re支路相當于開路，輸入信號ui近似均勻分布在輸入回路上，輸入信號電壓ui 的一半加在左邊輸入端和T1發(fā)射極之間，另一半加在右邊輸入端和T2發(fā)射極之間，兩者極性相反為一對差模輸入信號，與雙端輸入時近似一致，如圖3所示。圖3 Re 開路的差模輸入等效電路 方法2的特點是，輸入信號在輸入回路的傳輸過程直觀清楚，但沒有表示出輸入信號在輸入回路分解出的共模信號及發(fā)射極電阻Re 對共模信號的抑制，信號等效分解變換是近似結(jié)果。3）輸

9、入信號兩種等效變換方法的疑點問題及產(chǎn)生 的原因 等效變換時對發(fā)射極電阻Re的取值要求不同圖2 單端輸入差分放大電路輸入信號的等效變換方法1對發(fā)射極電阻Re的取值沒有要求，方法2要求發(fā)射極電阻Re的取值很大。 差模特性分析時發(fā)射極電阻Re的處理方式不同方法1將發(fā)射極電阻Re 短路處理，方法2將發(fā)射極電阻Re 開路處理。 輸入信號等效變換后作用位置不同方法1等效變換后的輸入信號作用于輸入端和地之間，方法2等效變換后的輸入信號作用于輸入端和發(fā)射極之間。 疑點問題產(chǎn)生的原因，是因為現(xiàn)行教材及文獻對發(fā)射極耦合傳輸?shù)刃ё儞Q方法沒有進行深入研究，沒有分析輸入信號的等效分解變換過程，變換方法不完善，僅僅進行了

10、簡單的近似等效分解。 3 單端輸入信號發(fā)射極耦合傳輸 的等效變換分析5圖1 所示單端輸入差分放大電路 ，輸入信號ui經(jīng)T1的發(fā)射極耦合傳輸至T2的發(fā)射極，輸入回路的微變等效電路如圖4所示。其中，rbe為晶體管的輸入電阻，為晶體管的電流放大系數(shù)，ue為發(fā)射極電位。圖4 單端輸入差分放大電路輸入回路的微變等效電路由圖4，有 （3） 所以 （4） 由圖4及式（4），輸入信號ui 的表達式為 （5）由圖4及式（4）、（5），發(fā)射極電位ue 的表達式為 （6） 由圖1及圖4，左邊輸入端和發(fā)射極之間的電壓為 （7） 由圖1及圖4，右邊輸入端和發(fā)射極之間的電壓為 （8） 式（7）、（8）表明，輸入信號ui

11、在輸入回路可等效分解為差模輸入信號、共模輸入信號的疊加，且等效分解變換時并不需要發(fā)射極電阻Re 很大的條件。 式（7）、（8）中， 、為每邊的差模輸入信號，作用位置是輸入端和發(fā)射極之間，總的差模輸入信號為，在保持輸入端和發(fā)射極之間的差模輸入信號不變，既保持輸入端所產(chǎn)生的差模輸入電流不變的前提下，改變接地點及Re 短路，可將每邊的差模輸入信號等效變換成作用位置為輸入端和地之間，如圖5所示，和方法1中差模輸入的等效形式相同。圖5 Re 短路的差模輸入等效電路式（7）、（8）中， 為每邊共模輸入信號即總的共模輸入信號，作用位置是輸入端和發(fā)射極之間，表達式中含發(fā)射極電阻Re ，反映了Re對共模輸入信號

12、的抑制作用。共模輸入等效電路如圖6所示，等效電路中發(fā)射極電阻Re 短路。圖6 Re 短路的共模輸入等效電路當發(fā)射極電阻Re=0時，共模輸入信號最大為，電路沒有共模負反饋抑制作用； 發(fā)射極電阻Re越大，共模負反饋抑制作用越強、共模輸入信號越小，當Re=時，共模輸入信號為零。圖6所示的Re 短路的共模輸入等效電路和方法1中接Re 的共模輸入等效電路的效果相同：所產(chǎn)生的共模輸入電流大小相等。在保持所產(chǎn)生的共模輸入電流不變的條件下，改變接地點、發(fā)射極經(jīng)電阻Re接地，共模輸入信號等效變換成數(shù)值為、作用位置為輸入端和地之間，可將圖6的Re 短路共模輸入等效電路變換成圖7所示的形式，和方法1中共模輸入的等效

13、形式相同。圖7 接Re 的共模輸入等效電路4 結(jié) 論 綜上所述，深入研究輸入信號發(fā)射極耦合傳輸?shù)刃ё儞Q的過程和完善變換方法，可知輸入信號用數(shù)學方法等效變換、輸入信號發(fā)射極耦合傳輸?shù)刃ё儞Q兩種方法具有等效性： 兩種方法均對輸入信號進行了等效變換，等效為差模輸入信號、共模輸入信號的疊加，且等效變換時與發(fā)射極電阻Re取值大小無關。 發(fā)射極電阻Re抑制共模輸入信號，取值大小反映對共模輸入信號的抑制程度。 發(fā)射極電阻Re對差模輸入信號無影響，輸入信號用數(shù)學方法等效變換法、輸入信號發(fā)射極耦合傳輸?shù)刃ё儞Q法都是用短路處理方式消除Re的影響。5 教學處理方法學習單端輸入差分放大電路時應體現(xiàn)多學博見、和而不同的

14、教學理念，采用研讀式教學方法對疑點問題進行研討效果較好。我們的具體做法是：向?qū)W生說明，分析單端輸入差分放大電路的動態(tài)性能關鍵是如何處理ui輸入信號在輸入回路的作用方式，然后布置單端輸入差分放大電路兩種輸入信號等效變換分析方法、疑點問題的課下研讀內(nèi)容，提示進行兩種分析方法的等效性研討的思路，要求清楚輸入信號用數(shù)學方法等效變換和輸入信號發(fā)射極耦合傳輸?shù)刃ё儞Q的處理方法，兩者的不同之處及相同之處，規(guī)定研讀的時間期限，學生自學、查閱教材及參考文獻，提交研讀報告，之后進行課堂討論、歸納總結(jié)，最后由學生導出單端輸入差分放大電路的差模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、共模抑制比等動態(tài)性能指標，并將結(jié)論用于帶恒流源的單端輸入差分放大電路中。這種教學處理方法，師生互動，把學生的積極性普遍調(diào)動起來，使學生感興趣、有成就感，激勵學生自主學習，培養(yǎng)學生知識綜合、知識應用、知識遷移提高的能力，培養(yǎng)學生自學能力、研究問題的能力，激發(fā)學生的求知欲。使學生對單端輸入差分放大電路的分析方法有