差分放大电路的工作原理分析

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。

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

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：

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。

图1.55 共模输入偏置点仿真分析设置

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：

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：

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

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。

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。

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。

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

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

图1.60 交流仿真分析设置

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。

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：

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

图1.63 直流仿真分析设置

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。

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

图1.66 最坏情况仿真设置

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：

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

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：

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