差分－共集负反馈放大电路的理论计算与仿真分析

杨一军， 陈得宝， 曲惠勤， 张 勇

（1.淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北235000；2.合肥师范学院 学报编辑部，安徽 合肥230061）

1 引言

差分－共集电压并联负反馈放大电路是一类优良的互阻放大器，其输入电阻低，输出电阻高，适用于高内阻信号源，大电阻负载场合。直接耦合方式下差分电路的突出优点是抑制共模信号。近年来差分－共射、差分－运放负反馈放大电路屡见报道，引起人们的关注［1，2］，然而差分－共集电路结构尚未见到。本文设计了直接耦合方式下的差分－共集电压并联负反馈放大电路，以直流差分信号作为输入变化量，以单端输入、输出方式在EWB环境下对电路仿真，按定义得到开、闭环互阻增益，其满足反馈放大器中的基本关系式。理论计算的开环采用先求电压增益，再转换为互阻增益的方法；闭环则采用微变等效电路。结果表明，仿真与理论计算一致。

图1 差分－共集电压并联负反馈放大电路

2 仿真

2.1 电路

由差分放大器和共集放大器级联组合而成的直接耦合多级放大电路如图1所示。判断可知，当S键位于M处，构成电压并联负反馈放大器；位于N处，是考虑反馈网络后的基本放大器。

2.2 仿真

启动仿真软件EWB，设置三极管β＝100。通过S键在开环和闭环间切换；双击电流源对其输出量设置可实现差分信号输入；记录两次输出电压再做它们的差，能完成差分信号的输出测量。用II、IIF表示开环和闭环下的输入电流，用VO、VOF表示开环和闭环下的输出电压，用“’”表示变化后的电量，具体结果见表1。

表1 仿真测量值

表2 仿真测量计算结果一览

将表2中的Ar代入反馈放大器基本关系式

其中反馈系数kfg＝－1／Rf。代入数据得Arf＝－344.86 kΩ，与按定义所求的－344.27 kΩ 结果很接近。

3 理论计算

3.1 静态电流

对于基本放大器，将输入端交流接地短路，略去RB1电阻压降，可得T1、T2管静态电流

考虑到IB3为小量，略去后得T2管集电极电位

与仿真中的6.434V比较接近。根据电路可以计算得到T3管发射极电流IE3

3.2 开环增益

根据单端输入、单端反相输出时，差分放大电路电压增益Αv1为

其中rbe1是T1管基极与发射极间等效电阻；Ri2＝rbe3＋（1＋β）RE3／／Rf／／RL，是共集电极放大电路的输入电阻。不失一般性，取rbb＝100Ω，β＝100，可以求得rbe1＝5.677kΩ，Ri2＝336.1kΩ。第二级共集电极电压增益Αv2为

其很接近1，通常认为Av2＝1。电路的总电压增益Av为

由互阻增益Ar定义

其中Ri＝2（RB1＋rbe1）／／Rf，是差分－共集放大器的输入电阻。将相关数据代入，求得Ar＝－1122.9 kΩ。按相对误差＝｜理论值－测量值｜／理论值×100%

可以求得与仿真间的相对误差，具体见表3。

表3 仿真与理论计算相对误差一览表

3.3 闭环增益

由电路知，反馈系数kfg＝－1／Rf，代入式（1），得闭环互阻增益理论值Arf＝－345.95kΩ。与仿真中按式（1）所求的－344.86kΩ相对误差如表3所示。

图2 反馈放大器微变等效电路

3.4 反馈放大器等效电路计算

在闭环状态下，图1的微变等效电路如图2所示，注意到差分电路的对称性，对图2列写节点方程

采用MATLAB编程，取Av2＝1，运行得各结点电位。考虑到vo＝Av2v3＝v3，vi＝v1，则

与仿真中按定义所求的－344.27kΩ相对误差见表3。

4 结论

以直流差分的信号输入方式，采用方框图分析方法，对直接耦合方式下的差分－共集电极结构的电压并联负反馈放大电路进行仿真分析，按定义求得开环和闭环的互阻增益，它们间满足反馈放大器中的基本关系式Arf＝Ar／（1＋kfgAr）。理论上先求电压增益再转换方法，得到开环互阻增益；求解微变等效电路得到闭环互阻增益，它们同样符合Arf＝Ar／（1＋kfgAr）关系。而理论与仿真对应电量的相对误差都很小，说明它们的一致性。

［1］杨一军，陈得宝，李素文，等.差分－运放电流串联负反馈的理论计算与仿真分析［J］.合肥师范学院学报，2010，28（6）：29－30.

［2］杨一军，陈得宝，毛培，等.差分－共射负反馈放大电路的理论计算与仿真［J］.淮北煤炭师范学院学报：自然科学版，2010，31（1）：19－21.