线性差分放大电路的工作原理分析

1、工作原理分析

线性差分放大电路如下图所示，元器件表如表1.7所示，理想差分放大电路仅对两信号差值进行放大，而对两输入端的共模信号进行抑制，放大增益通过电阻RG进行调节。

图1.69 线性增益差分放大电路

表1.7 线性增益差分放大电路仿真元器件列表

对上图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：

1、偏置点分析：Bias Point

利用偏置点分析计算小信号电压增益，仿真设置如下图所示。

图1.70 差模输入偏置点仿真分析设置

差模偏置点仿真分析结果：

小信号特性：

2、瞬态仿真分析：Time Domain

图1.71 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1.71所示，仿真时间2ms、最大步长5us，仿真结果如图1.72所示。

图1.72 输入和输出电压波形

图1.72为瞬态仿真波形，V(IN2,IN1)为等效输入电压波形，V(VOUT)为输出电压波形。

即输入信号放大100倍。从图1.72可得，当输入信号为0.1V峰值时，输出电压峰值约为10V，差分电路实现100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1.71所示，仿真结果如图1.73所示。

图1.73输出电压波形

图1.73为瞬态仿真波形，V(VOUT)为输出电压波形。

3、交流仿真分析：AC Sweep

图1.74 交流仿真分析设置：差模输入VD的AC=0.1、共模输入VC的AC=0

对电路进行交流仿真分析，如图1.74所示，频率范围1Hz—3megHz，每十倍频20点；仿真结果如图1.75所示。

图1.75 输出电压波形

当电阻RFv=10k时输出电压；计算值与图1.75中仿真结果一致，但是由于该电路放大倍数为100，所以带宽相对比较窄。

4、直流仿真分析：DC Sweep线性增益控制

图1.76 直流仿真分析设置：差模输入VD的DC=0.1，共模输入VC的DC=0

当差模输入直流电压为0.1V、共模输入为0时，对电路进行直流仿真分析，仿真设置如图1.76所示，电阻RG的阻值从1k线性增大至10k，则放大倍数从10线性增大至100，从而输出电压从1V线性增大至10V，仿真结果如图1.77所示，仿真与计算一致。

图1.77 电阻RG线性变化时输出电压特性曲线

图1.78 电阻RG线性变化时V(VOUT)/V(VD)特性曲线

5、直流和最坏情况仿真分析：DC Sweep、Worst case

图1.79 最坏情况仿真设置

图1.80 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1.79和图1.80所示，输出最大值仿真结果如下：

当VD=0.1V直流时输出最大值为13.362V；此时R2、R3、R5取-5%容差，R1、R4、RG取+5%容差。

图1.81 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1.79和图1.81所示，输出最小值仿真结果如下：

当VD=0.1V直流时输出最小值为6.7523V；此时R2、R3、R5取+5%容差，R1、R4、RG取-5%容差。

只需调节单电阻RG即可线性调节电路放大倍数，但是普通差分放大电路需要调节R2和R4双电阻，而且两电阻值必须完全相同，所以可调线性增益放大电路在增益调节方面具有很大优势。当电阻容差均为5%时，普通差分放大电路输出电压变化量约为，但是可调增益差分放大电路输出电压变化量却为，所以设计电路时需要综合考虑，取长补短。

2、附录——关键仿真器件模型