尹均萍，李玉长

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)

差分放大电路利用电路结构和电路参数的对称性，能有效地抑制零点漂移，广泛应用于多级直接耦合放大电路的输入级，也是集成运算放大电路的重要组成部分。由于差分放大电路有两种输入和两种输出方式，组合后就有四种典型电路。差分放大电路的结构特点决定了其对差模信号具有很大的放大能力，而对共模信号却具有很强的抑制作用。对共模信号和差模信号的分析方法也不同，因而差分放大电路这一部分的内容一直是“模拟电子技术基础”教学的难点［1]。

为此，笔者把电路设计和仿真软件Multisim 10引入到差分放大电路的课堂教学中，利用Multisim 10中提供的元器件、仪器仪表以及电路分析方法对差分放大电路进行仿真分析。

1 直流工作点的仿真分析

Multisim 10提供了很多种分析方法，现以图1所示在共模信号作用下的差分放大电路为例。软件执行Options/Sheet Properties命令，在Circuit标签页中的Net Names区中选择Show All，单击OK按钮，即可在电路中显示出各节点号。

我们可以直接利用Multisim 10提供的直流工作点分析功能来测量电路的静态工作点。执行Simulate/Analyses/DC Operating Point命令，在弹出的对话框中，点击Output标签，设置要分析的节点和电流，最后单击Simulate按钮进行仿真，其仿真结果见图2所示。从仿真结果可以看出，差分对管Q1和Q2的静态工作点相同，这就验证为什么可以用差分放大电路的单边(管)直流通路来计算差分放大电路的静态工作点。

图1 显示节点号的差分放大电路

图2 直流工作点分析的结果

2 在共模信号作用下的仿真分析

如图3所示电路，电路的两个输入端所加信号为一对大小相等、相位相同的信号，即一对共模信号。输入信号是频率为1kHz，有效值VO为1V的正弦波。电压表U1和U2分别用来测量单端输出电压的大小;电压表U3用来测量双端输出电压的大小。按下仿真按钮，电路开始仿真，电压表设置为交流电压档，内阻设置为10GΩ(内阻设置大误差小些)，各个表的读数如图3所示。

图3 差分放大电路加共模信号

由电压表的读数可知:双端输出电压VO≈0，这也说明了在理想的情况下，双端输出的共模放大倍数AC≈0。单端输出电压VO1=VO2=0.487V，由此可以计算出单端输出共模电压放大倍数为

3 在差模信号作用下的仿真分析

如在图4所示的差分放大电路的两个输入端之间加上频率为1kHz、有效值为100mV的正弦波输入电压Vi(实验中由函数发生器产生)，电压表U1和U2分别用来测量单端输出电压VO1和VO2的大小;电压表U3用来测量双端输出电压VO的大小。采用Multisim 10中提供的四踪示波器XCS1同时观察输入电压和输出电压的波形［3]。

图4 差分放大电路加差模信号

按下仿真按钮，电路开始仿真，电压表设置为交流档，各个表显示读数。四踪示波器所观察到的波形如图5所示。从图4所示的电路和图5所示的波形可以看出，加在两个差分对管Q1和Q2上输入电压vi1、vi2为一对大小相等、相位相反的信号，即为一对差模信号，其有效值为Vi1=Vi2=Vi/2=50mV。输出电压vo1和vo2也是一对大小相等、相位相反的信号，因vo1和vi反相，vo2和vi同相，故vo1为反相输出端，vo2为同相输出端。

图5 差分放大电路加差模信号的输入、输出波形

由电压表的读数可知:单端输出电压VO1=VO2=2.425V，双端输出电压VO=4.850V。由此可以计算出双端输入—单端输出的差模电压放大倍数为

双端输入—双端输出的差模电压放大倍数为

可见，单端输出电压放大倍数为双端输出电压放大倍数的一半。

通过仿真和计算差模电压放大倍数和共模电压放大倍数的过程，使学生进一步加深理解:差分放大电路对差模信号具有放大作用，对共模信号有很强的抑制作用。

4 单端输入和双端输入的仿真比较

图6所示差分放大电路，vi1输入信号为频率为1kHz，有效值为100mV的正弦波，vi2端接地，这种输入方式称为单端输入。图中电压表U1和U2分别用来测量单端输出电压vo1和vo2的大小;电压表U3用来测量双端输出电压vo的大小。由于调零电位器R7的阻值很小，因而当忽略调零电位器上的压降时，电压表U4和U5分别用来测量加在两个差分对管Q1和Q2输入回路上的电压(即差模分量vid1和vid2的大小);U6用来测量发射极对地的共模分量vic的大小。

图6 单端输入的测量电路

从图6电压表U4、U5和U6的读数可以看出，在单端输入时，若Re足够大，就可以认为Re支路相当于开路，发射极对地的电压ve≈0.5vid，输入的交流信号近似均匀分配在两管的输入回路上，因而单端输入时的工作状态与双端输入时近似一致［6]。在理论计算时，我们通常把两个输入端的信号分解为一对差模信号vid1=vid2=0.5vid=0.5(vi1－vi2)和一对共模信号vic1=vic2=vic=0.5(vi1+vi2)的叠加。图6所示电路中差模信号的有效值为Vid1=Vid2=50mV，共模信号的有效值为Vic1=Vic2=50mV，和图中电压表U4、U5和U6所测的读数基本相同。

在双端输出时，由于AC≈0，因此单端输入—双端输出的输出电压和双端输入—双端输出是相同的，从图4和图6的电压表U3的读数相同也可以看出。

在单端输出时，由于单端输出共模电压放大倍数的影响，单端输入—单端输出电压和双端输入—单端输出电压略有不同。由前面计算出的差模电压放大倍数和共模电压放大倍数可以计算出Vo1、Vo2和Vo分别为

可见，该值和图6电压表所示的读数相同。

从上面分析可以看出，单端输入时电路的差动工作状态和双端输入时基本相同。也就是说，差分放大电路的差动工作状态与输入方式无关。而差模电压放大倍数只与输出方式有关。

5 结语

利用Multisim 10仿真软件，通过对典型差分放大电路的静态分析和动态分析，以及对差分放大电路的单端输入和双端输入的仿真、计算和比较，使学生对差分放大电路的难点和抽象的理论知识变得直观，提高了教学效果。实践证明，通过采用Multisim 10中提供的丰富的电路分析和仪器仪表，借助于Multisim 10仿真软件辅助讲授模拟电子技术课程，能有效地帮助学生理解抽象的理论知识。

［1] 华成英·模拟电子技术基本教程［M] ·北京:清华大学出版社，2006

［2] 聂典丁伟·Multisim 10计算机仿真在电子电路设计中的应用［M] ·北京:电子工业出版社，2009

［3] 吴敏张晨彧·电工电子实验与仿真［M] ·安徽:安徽人民出版社，2007

［4] 赵世强等·电子电路EDA技术［M] ·西安:西安电子科技大学出版社，2000

［5] 王廷才，赵德申·电工电子技术EDA仿真实验［M] ·北京:机械工业出版社，2003

［6] 康华光·电子技术基础(第四版)［M] ·北京:高等教育出版社，2000