差分放大电路的长尾式分析

简介：
本文章深入探讨了差分放大电路中长尾式的结构与工作原理，通过详细分析其输入输出特性、增益计算及噪声抑制能力等方面，旨在为电子工程领域的学习者提供理论指导和技术支持。 长尾式差分放大电路是模拟电路中的重要结构之一，在信号处理与噪声抑制方面具有显著优势，特别是在共模信号和差模信号的处理上表现出色。 理解这种电路的基本构造至关重要：它得名于连接电源VEE的发射极电阻Re，因其形状类似一条尾巴而被称作“长尾”。该电路主要由两个以差分对形式工作的晶体管T1和T2构成，它们分别接收相反极性的输入信号。偏置电阻Rb1、Rb2，集电极电阻Rc1、Rc2以及发射极电阻Re共同确保了电路的静态工作点。 在没有外部输入信号的情况下（即uI1 = uI2 = 0），总发射极电流流过Re，并且由于T1和T2处于相同的偏置条件下，其集电极电压UCQ1与UCQ2相等，因此输出电压为零。这体现了长尾式电路在没有外部输入时的平衡状态。 共模信号抑制是该类型电路的一大特点：首先通过参数对称性（如Rb1 = Rb2, Rc1 = Rc2, β1 = β2以及rbe1 = rbe2）确保了共模信号在两个晶体管中的影响相互抵消。其次，增大Re可以进一步提高这种抑制效果，因为较大的Re会降低集电极电压对共模信号变化的敏感度。 长尾式电路的共模放大倍数Ac接近于零，这意味着它几乎不对共模信号进行放大的同时保持了差分模式下的良好性能。而差模放大倍数Ad则描述了电路在处理差分输入时的能力，尽管单个晶体管因Re的存在导致增益下降，但整个电路仍能提供足够的电压放大效果，并显著抑制共模噪声。 重要的是要评估长尾式电路的共模抑制比KCMR。理想情况下，当所有参数完全对称时，KCMR趋向于无穷大，表明该电路几乎可以完全忽略掉共模信号的同时有效放大差分输入信号。 凭借其独特的设计和性能优势，在不牺牲电压增益的情况下显著地提高了信噪比，长尾式差分放大器在各种模拟应用中得到广泛应用，包括运算放大器、数据转换器以及通信系统等。