差分放大电路的工作原理分析

描述

1、工作原理分析

差分放大电路如下图所示,元器件表如表1.6所示,理想差分放大电路仅放大两输入信号之差,而对两输入端的共模信号进行抑制。

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图1.54 差分放大电路

表1.6 差分放大电路仿真元器件列表

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对图1.54中电路应用叠加原理和“虚短”概念,整理得到输出电压表达式如下:

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1、偏置点分析:Bias Point

利用偏置点分析计算小信号电压增益、输入阻抗、输出阻抗和每个元器件相对输出信号的灵敏度,仿真设置如图1.55所示。

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图1.55 共模输入偏置点仿真分析设置

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图1.56 差模输入偏置点仿真分析设置

共模输入偏置点仿真分析结果:

小信号特性:

电压增益:V(VOUT)/V_VC = -1.371E-04

输入阻抗:INPUT RESISTANCE AT V_VC = 3.000E+03

输出阻抗:OUTPUT RESISTANCE AT V(VOUT) =7.897E-03

共模直流灵敏度:

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差模偏置点仿真分析结果:

小信号特性:

电压增益:V(VOUT)/V_VD = 5.000E+00

输入阻抗:INPUT RESISTANCE AT V_VIN= 1.000E+20(由于通过压控电压源隔离,所以该值数据无效)

输出阻抗:OUTPUT RESISTANCE AT V(VOUT) =7.897E-03

差模直流灵敏度:

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电阻R3和R4对输出电压最敏感,其次为R1和R2,分别为-3.750%、3.750%、-1.25%和1.25%。

2、瞬态仿真分析:Time Domain

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图1.57 瞬态仿真分析设置

对电路进行瞬态仿真分析,将共模信号VC幅值设置为0,仿真设置如图1.57所示,仿真时间2ms、最大步长5us,仿真结果如图1.58所示。

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图1.58 输入和输出电压波形

图1.58为瞬态仿真波形,V(IN2,N1)为等效输入电压波形,V(VOUT)为输出电压波形。

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即输入信号放大5倍。通过上述仿真分析与计算可得,当输入信号为1V峰值时输出电压峰值为5V,差分电路实现5倍放大功能,计算与仿真一致。

对电路进行瞬态仿真分析,将差模信号VD幅值设置为0,共模信号VC设置为1V,仿真设置如图1.57所示,仿真结果如图1.59所示。

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图1.59 输出电压波形

图1.59为瞬态仿真波形,V(VOUT)为输出电压波形。当

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差分放大电路匹配时,共模放大倍数近似为0。从上图可得,当输入共模信号为峰值1V时,输出电压峰峰值为300uV,该电路能够对共模信号实现抑制。

3、交流和参数仿真分析:AC Sweep、Parametric Sweep

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图1.60 交流仿真分析设置

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图1.61 参数仿真分析设置

对电路进行交流仿真分析,如图1.60所示,频率范围10kHz—3megHz,每十倍频20点;对RFv进行参数仿真分析,如图1.61所示,参数值分别为5k和10k;仿真结果如图1.62所示。

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图1.62 输出电压频率特性曲线:RFv从上到下分别为5k和10k

当电阻RFv=5k时输出电压:

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计算值与图1.62中仿真结果一致。

4、直流和蒙特卡洛仿真分析:DC Sweep、Monte Carlo

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图1.63 直流仿真分析设置

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图1.64 蒙特卡洛仿真分析设置

当差模输入直流电压为1V、共模输入为0时对电路进行蒙特卡洛仿真分析,仿真设置如图1.63和图1.64所示。电阻容差为平均分布5%,仿真结果如图1.65所示,最大值约为5.368V,最小值约为4.573V,仿真次数为100。

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图1.65 输出电压蒙特卡洛仿真数据

5、直流和最坏情况仿真分析:DC Sweep、Worst case

对于图1.54中电路,当电阻R2和R4取5%容差、R1和R3取-5%容差时输出电压最大,最大值为

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图1.66 最坏情况仿真设置

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图1.67 最坏情况输出设置:输出最大值

直流和最坏情况仿真设置如图1.66和图1.67所示,输出最大值仿真结果如下:

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通过以上分析可见,仿真和计算值一致。

对于图1.54中电路,当电阻R2和R4取-5%容差、R1和R3取5%容差时输出电压最小,最小值为

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图1.68 最坏情况输出设置:输出最小值

直流和最坏情况仿真设置如图1.66和图1.68所示,输出最小值仿真结果如下:

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通过以上分析可见,仿真和计算值一致。

2、附录——关键仿真器件模型

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