淺析差分放大器的設計、仿真與分析

差分放大器是一種重要的模擬電子技術，它可以根據(jù)兩個輸入端電壓的差異來放大信號，同時抵消兩個輸入端電壓的相同部分。這樣，它可以有效地提高信號的質量和穩(wěn)定性，減少噪聲和干擾，增強信號的可靠性和可讀性。差分放大器在許多領域都有廣泛的應用，例如傳感器、儀器、通信、控制等。

差分放大器有四種不同的接法，分別是雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。這四種接法的區(qū)別在于輸入和輸出信號的方式，它們對差模信號和共模信號的放大和抑制能力也有所不同。為了設計一個合適的差分放大器，我們需要根據(jù)不同的需求和條件，選擇合適的接法和參數(shù)。我們需要考慮以下幾個方面：

靜態(tài)工作點：靜態(tài)工作點是指輸入電壓為零時，輸出電壓的值。我們需要保證靜態(tài)工作點在合理的范圍內，避免飽和或截止狀態(tài)，以及零點漂移現(xiàn)象。

直流差模電壓放大倍數(shù)：直流差模電壓放大倍數(shù)是指差分放大器對差模信號的放大能力，它越大越好。我們需要選擇合適的元件和參數(shù)，使得直流差模電壓放大倍數(shù)達到最大或接近最大。

直流共模電壓放大倍數(shù)：直流共模電壓放大倍數(shù)是指差分放大器對共模信號的放大能力，它越小越好。我們需要利用共模負反饋的原理，選擇合適的元件和參數(shù)，使得直流共模電壓放大倍數(shù)達到最小或接近最小。

共模抑制比：共模抑制比是指差分放大器對差模信號和共模信號的區(qū)分能力，它越大越好。我們需要利用公式 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) 來計算共模抑制比，并根據(jù)不同的接法，選擇合適的元件和參數(shù)，使得共模抑制比達到最大或接近最大。

動態(tài)分析：動態(tài)分析是指考慮交流信號時，差分放大器的性能和特性。我們需要考慮交流信號的頻率、幅值、相位等因素，以及差分放大器的輸入電阻、輸出電阻、頻率響應等指標，并根據(jù)不同的接法，選擇合適的元件和參數(shù)，使得差分放大器能夠正常工作，并達到預期的效果。

為了驗證差分放大器的設計和性能，我們使用Multisim軟件進行仿真實驗。我們按照設計方法中的參數(shù)和元件，搭建了四種接法的差分放大器電路，并分別對它們進行了靜態(tài)和動態(tài)仿真。我們使用交直流差模信號源來產(chǎn)生不同的輸入信號，使用示波器和電壓表來測量輸出信號，使用函數(shù)發(fā)生器和頻譜分析儀來分析頻率響應。我們記錄了仿真結果，并與理論值進行了對比和分析。以下是我們的仿真步驟和結果：

雙端輸入雙端輸出：我們使用兩個交直流差模信號源，分別產(chǎn)生0.1V和-0.1V的差模信號，以及0.1V和-0.1V的共模信號，接入差分放大器的兩個輸入端。我們使用示波器測量差分放大器的兩個輸出端的電壓波形，如圖1所示。我們使用電壓表測量差分放大器的兩個輸出端的直流電壓值，如表1所示。我們使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1kHz，0.15V的正弦波信號，接入差分放大器的一個輸入端，另一個輸入端接地。我們使用頻譜分析儀測量差分放大器的兩個輸出端的頻率響應曲線，如圖2所示。

圖1：雙端輸入雙端輸出時的輸出電壓波形

表1：雙端輸入雙端輸出時的直流電壓值

圖2：雙端輸入雙端輸出時的頻率響應曲線

雙端輸入單端輸出：我們使用兩個交直流差模信號源，分別產(chǎn)生0.1V和-0.1V的差模信號，以及0.1V和-0.1V的共模信號，接入差分放大器的兩個輸入端。我們使用示波器測量差分放大器的一個輸出端（Uo1）的電壓波形，如圖3所示。我們使用電壓表測量差分放大器的一個輸出端（Uo1）的直流電壓值，如表2所示。我們使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1kHz，0.15V的正弦波信號，接入差分放大器的一個輸入端（Ui1），另一個輸入端（Ui2）接地。我們使用頻譜分析儀測量差分放大器的一個輸出端（Uo1）的頻率響應曲線，如圖4所示。

圖3：雙端輸入單端輸出時的輸出電壓波形

表2：雙端輸入單端輸出時的直流電壓值

圖4：雙端輸入單端輸出時的頻率響應曲線

單端輸入雙端輸出：我們使用一個交直流差模信號源，產(chǎn)生0.2V的差模信號，接入差分放大器的一個輸入端（Ui1），另一個輸入端（Ui2）接地。我們使用示波器測量差分放大器的兩個輸出端的電壓波形，如圖5所示。我們使用電壓表測量差分放大器的兩個輸出端的直流電壓值，如表3所示。我們使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1kHz，0.15V的正弦波信號，接入差分放大器的一個輸入端（Ui1），另一個輸入端（Ui2）接地。我們使用頻譜分析儀測量差分放大器的兩個輸出端的頻率響應曲線，如圖6所示。

圖5：單端輸入雙端輸出時的輸出電壓波形

表3：單端輸入雙端輸出時的直流電壓值

圖6：單端輸入雙端輸出時的頻率響應曲線

單端輸入單端輸出：我們使用一個交直流差模信號源，產(chǎn)生0.2V的差模信號，接入差分放大器的一個輸入端（Ui1），另一個輸入端（Ui2）接地。我們使用示波器測量差分放大器的一個輸出端（Uo1）的電壓波形，如圖7所示。我們使用電壓表測量差分放大器的一個輸出端（Uo1）的直流電壓值，如表4所示。我們使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1kHz，0.15V的正弦波信號，接入差分放大器的一個輸入端（Ui1），另一個輸入端（Ui2）接地。我們使用頻譜分析儀測量差分放大器的一個輸出端（Uo1）的頻率響應曲線，如圖8所示。

圖7：單端輸入單端輸出時的輸出電壓波形

表4：單端輸入單端輸出時的直流電壓值

圖8：單端輸入單端輸出時的頻率響應曲線

通過仿真實驗，我們驗證了差分放大器的設計和性能，發(fā)現(xiàn)它們與理論值基本一致。我們發(fā)現(xiàn)，不同的接法對差分放大器的指標和特性有不同的影響，例如：

雙端輸入雙端輸出時，差分放大器對差模信號和共模信號都有放大作用，但對共模信號的放大倍數(shù)很小，共模抑制比很大。這種接法適用于需要同時獲取兩個輸出信號的場合，例如差動信號傳輸。

雙端輸入單端輸出時，差分放大器對差模信號有放大作用，對共模信號有抑制作用，共模抑制比很大。這種接法適用于只需要獲取一個輸出信號的場合，例如單端信號傳輸。

單端輸入雙端輸出時，差分放大器對差模信號有放大作用，對共模信號無影響。這種接法適用于需要獲取一個反相和一個同相輸出信號的場合，例如相位檢測。

單端輸入單端輸出時，差分放大器對差模信號有放大作用，對共模信號無影響。這種接法適用于需要獲取一個同相輸出信號的場合，例如單端信號放大。

我們還發(fā)現(xiàn)，差分放大器的頻率響應曲線與理論值基本一致，表明它具有良好的頻率特性。我們可以通過調整元件和參數(shù)來改變差分放大器的截止頻率和通帶增益等指標，以滿足不同的需求。

總之，差分放大器是一種優(yōu)秀的模擬電子技術，它可以根據(jù)不同的接法和設計，實現(xiàn)不同的功能和效果。它在許多領域都有廣泛的應用和價值。但是，差分放大器也有一些局限和問題，例如電路結構復雜、分析繁瑣、元件匹配要求高等。因此，在實際應用中，我們需要根據(jù)具體情況選擇合適的差分放大器，并注意其優(yōu)缺點和影響因素。

審核編輯：劉清