差分放大器的设计、仿真与分析

差分放大器是一种重要的模拟电子技术，它可以根据两个输入端电压的差异来放大信号，同时抵消两个输入端电压的相同部分。这样，它可以有效地提高信号的质量和稳定性，减少噪声和干扰，增强信号的可靠性和可读性。差分放大器在许多领域都有广泛的应用，例如传感器、仪器、通信、控制等。

差分放大器有四种不同的接法，分别是双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。这四种接法的区别在于输入和输出信号的方式，它们对差模信号和共模信号的放大和抑制能力也有所不同。为了设计一个合适的差分放大器，我们需要根据不同的需求和条件，选择合适的接法和参数。我们需要考虑以下几个方面：

静态工作点：静态工作点是指输入电压为零时，输出电压的值。我们需要保证静态工作点在合理的范围内，避免饱和或截止状态，以及零点漂移现象。

直流差模电压放大倍数：直流差模电压放大倍数是指差分放大器对差模信号的放大能力，它越大越好。我们需要选择合适的元件和参数，使得直流差模电压放大倍数达到最大或接近最大。

直流共模电压放大倍数：直流共模电压放大倍数是指差分放大器对共模信号的放大能力，它越小越好。我们需要利用共模负反馈的原理，选择合适的元件和参数，使得直流共模电压放大倍数达到最小或接近最小。

共模抑制比：共模抑制比是指差分放大器对差模信号和共模信号的区分能力，它越大越好。我们需要利用公式 K C M R = 20 l g ∣ A d A c ∣ ( d B ) K_ {CMR}=20lg|frac {A_d} {A_c}| (dB) K CM R  = 20lg∣Ac  Ad   ∣(dB) 来计算共模抑制比，并根据不同的接法，选择合适的元件和参数，使得共模抑制比达到最大或接近最大。

动态分析：动态分析是指考虑交流信号时，差分放大器的性能和特性。我们需要考虑交流信号的频率、幅值、相位等因素，以及差分放大器的输入电阻、输出电阻、频率响应等指标，并根据不同的接法，选择合适的元件和参数，使得差分放大器能够正常工作，并达到预期的效果。

为了验证差分放大器的设计和性能，我们使用Multisim软件进行仿真实验。我们按照设计方法中的参数和元件，搭建了四种接法的差分放大器电路，并分别对它们进行了静态和动态仿真。我们使用交直流差模信号源来产生不同的输入信号，使用示波器和电压表来测量输出信号，使用函数发生器和频谱分析仪来分析频率响应。我们记录了仿真结果，并与理论值进行了对比和分析。以下是我们的仿真步骤和结果：

双端输入双端输出：我们使用两个交直流差模信号源，分别产生0.1V和-0.1V的差模信号，以及0.1V和-0.1V的共模信号，接入差分放大器的两个输入端。我们使用示波器测量差分放大器的两个输出端的电压波形，如图1所示。我们使用电压表测量差分放大器的两个输出端的直流电压值，如表1所示。我们使用函数发生器产生1kHz，0.15V的正弦波信号，接入差分放大器的一个输入端，另一个输入端接地。我们使用频谱分析仪测量差分放大器的两个输出端的频率响应曲线，如图2所示。

图1：双端输入双端输出时的输出电压波形

表1：双端输入双端输出时的直流电压值

图2：双端输入双端输出时的频率响应曲线

双端输入单端输出：我们使用两个交直流差模信号源，分别产生0.1V和-0.1V的差模信号，以及0.1V和-0.1V的共模信号，接入差分放大器的两个输入端。我们使用示波器测量差分放大器的一个输出端（Uo1）的电压波形，如图3所示。我们使用电压表测量差分放大器的一个输出端（Uo1）的直流电压值，如表2所示。我们使用函数发生器产生1kHz，0.15V的正弦波信号，接入差分放大器的一个输入端（Ui1），另一个输入端（Ui2）接地。我们使用频谱分析仪测量差分放大器的一个输出端（Uo1）的频率响应曲线，如图4所示。

图3：双端输入单端输出时的输出电压波形

表2：双端输入单端输出时的直流电压值

图4：双端输入单端输出时的频率响应曲线

单端输入双端输出：我们使用一个交直流差模信号源，产生0.2V的差模信号，接入差分放大器的一个输入端（Ui1），另一个输入端（Ui2）接地。我们使用示波器测量差分放大器的两个输出端的电压波形，如图5所示。我们使用电压表测量差分放大器的两个输出端的直流电压值，如表3所示。我们使用函数发生器产生1kHz，0.15V的正弦波信号，接入差分放大器的一个输入端（Ui1），另一个输入端（Ui2）接地。我们使用频谱分析仪测量差分放大器的两个输出端的频率响应曲线，如图6所示。

图5：单端输入双端输出时的输出电压波形

表3：单端输入双端输出时的直流电压值

图6：单端输入双端输出时的频率响应曲线

单端输入单端输出：我们使用一个交直流差模信号源，产生0.2V的差模信号，接入差分放大器的一个输入端（Ui1），另一个输入端（Ui2）接地。我们使用示波器测量差分放大器的一个输出端（Uo1）的电压波形，如图7所示。我们使用电压表测量差分放大器的一个输出端（Uo1）的直流电压值，如表4所示。我们使用函数发生器产生1kHz，0.15V的正弦波信号，接入差分放大器的一个输入端（Ui1），另一个输入端（Ui2）接地。我们使用频谱分析仪测量差分放大器的一个输出端（Uo1）的频率响应曲线，如图8所示。

图7：单端输入单端输出时的输出电压波形

表4：单端输入单端输出时的直流电压值

图8：单端输入单端输出时的频率响应曲线

通过仿真实验，我们验证了差分放大器的设计和性能，发现它们与理论值基本一致。我们发现，不同的接法对差分放大器的指标和特性有不同的影响，例如：

双端输入双端输出时，差分放大器对差模信号和共模信号都有放大作用，但对共模信号的放大倍数很小，共模抑制比很大。这种接法适用于需要同时获取两个输出信号的场合，例如差动信号传输。

双端输入单端输出时，差分放大器对差模信号有放大作用，对共模信号有抑制作用，共模抑制比很大。这种接法适用于只需要获取一个输出信号的场合，例如单端信号传输。

单端输入双端输出时，差分放大器对差模信号有放大作用，对共模信号无影响。这种接法适用于需要获取一个反相和一个同相输出信号的场合，例如相位检测。

单端输入单端输出时，差分放大器对差模信号有放大作用，对共模信号无影响。这种接法适用于需要获取一个同相输出信号的场合，例如单端信号放大。

我们还发现，差分放大器的频率响应曲线与理论值基本一致，表明它具有良好的频率特性。我们可以通过调整元件和参数来改变差分放大器的截止频率和通带增益等指标，以满足不同的需求。

总之，差分放大器是一种优秀的模拟电子技术，它可以根据不同的接法和设计，实现不同的功能和效果。它在许多领域都有广泛的应用和价值。但是，差分放大器也有一些局限和问题，例如电路结构复杂、分析繁琐、元件匹配要求高等。因此，在实际应用中，我们需要根据具体情况选择合适的差分放大器，并注意其优缺点和影响因素。

审核编辑 ：李倩