原创 【转】PSPICE在差分放大电路分析中的应用研究

摘要：差分放大电路作为集成运算放大器的输入级电路.具有电路结构复杂、分析繁琐的特点，一直是模拟电子技术设计与分析中的难点。PSPICE作为著名的电路设计与仿真软件，具有仿真速度快、精度高等优点。本文应用PSPICE对差分放大电路的工作特性进行了较全面的仿真，利用PSPICE分析、研究了差分放大电路的时域响应、频率响应以及温度对其性能的影响。

1 典型差分放大电路
    在模拟集成电路中，集成运算放大器是应用极为广泛的一种。集成运算放大器是一种具有高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，其工作原理是利用差分放大电路的对称性来提高整个电路的共模抑制比和其它方面的性能，从而有效地抑制零点漂移。但是差分电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难于理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。
    图1是一个典型的差分放大电路，其中Q1与Q2是一对NPN型的BJT差分对管，型号为Q2N2222。Q3与Q4组成镜像电流源，其电流大小基本恒定(约为VDD-VEE/R1)。恒流源的作用是充当有源负载，即利用其具有很高的交流电阻的特点作为Q1与Q2的发射极电阻。
 
图1典型的差分放大电路

2 PSPICE简介
    PSPICE (Personal Simulation Program with IC Emphasis)是目前流行的EDA软件之一，相较其它EDA设计分析软件，其最大优势在于世界各大著名电子器件公司为它提供了几万种模拟和数字元件模型，使PSPICE的仿真结果更加真实并且十分接近实际电路的分析结果。PSPICE用于电路仿真时，以源程序或图形方式输入，能自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。它不仅可以对模拟电子线路进行不同输入状态的时间响应、频率响应、噪声和其他性能的分析优化，以使设计电路达到最优的性能指标，还可以分析数字电子线路和模数混合电路。下面利用PSPICE对差分放大电路的工作特性进行仿真研究。

3 差分放大电路的工作特性仿真分析
    在Schematics绘图编辑器中绘制的差分放大电路的原理图如图1。其中Vin是正弦激励源，其幅值设为0.1V，满足小信号的要求，频率设为5MHz。
3.1直流分析(DC Sweep)
    直流分析是设定电路中某一参数(称为自变量)在一定范围内变化，计算电路的直流偏置特性。在此选定以三极管Q1的电流放大系数(在PSPICE中以BF表示)为自变量，令其取值从100线性增长到300，步长为15。研究差分放大电路的输出电压与三极管电流放大系数的关系。
分析可知，由于差分放大电路结构对称，Q1与Q2具有相同的直流工作状态，且其集电极电位会随着电流放大系数的增大近似线性地减小。PSPICE仿真结果如图3所示。仿真结果表明，在直流状态下，差分放大电路的输出电压Vout1、Vout2的变化规律完全相同.都是随着三极管电流放大系数BF的增大而几乎呈线性地减小。显然，仿真结果与理论分析结果一致
 
图2带变频交流激励源的差分放大电路
 
(a)Vout1与BF的关系                                                                                                  (b)Vout2与BF的关系
图3 PSPICE直流分析仿真结果

3.2交流分析和噪声分析(AC Sweep／Noise)
    交流分析和噪声分析是计算电路中交流小信号的频率响应特性，并将电路中各个器件对选定的输出点产生的噪声等效到选定的输入源上
研究差分放大电路的频率特性就是研究其在不同信号频率下的增益以及通频带
    设置交流分析的扫描频率从1HZ到1GHZ。采用10倍频增量进行递增。需要注意的是，应用PSPICE进行交流分析时，必须在电路图中设置相应的独立交流激励源，否则仿真无法进行。在此，可将图1中的正弦激励源Vin改为幅值固定、频率可变的交流激励源VAC，如图2所示。PSPICE仿真结果如图4所示。可见。当激励源保持幅值0.1V不变，而频率从1HZ递增到1GHZ时。差分放大电路表现出很好的低通特性。这是由于电路结构采用了直接耦合的方式，从而避免了阻容耦合方式时耦合电容对放大电路低频性能的影响。从图4(b)还可直观地看出其通频带宽约为300KHZ。
 
(a)交流激励源与频率的变化关系                                                                     (b)差分电路的输出Vout1与频率的变化关系
图4 PSPICE交流频域分析仿真结果
3.3瞬态分析(Time Domain Transient)
    瞬态分析是指在给定输入激励信号的作用下计算电路输出端的瞬态响应，实质就是计算时域响应设置瞬态分析的参数为：从零时刻开始记录数据。到5000ns结束，最大步长为0.1ns。按照图1所示的电路进行PSPICE仿真，研究差分电路在单端输入、单端输出以及双端输出时的工作情况。PSPICE仿真结果如图5(a)、(b)、(c)、(d)所示。
 
(a)单端输入的正弦信号波形                                                                              (b)差分电路单端输出时的Vout1波形
 
(c)差分电路单端输出时的Vout2波形                                                                       (d)差分电路双端输出时的电压波形
图5 PSPICE瞬态分析仿真结果
    由仿真结果可知，差分放大电路在单端输入时。两个差分对管(Q1与Q2)不仅同时获得输入信号，而且获得的是一对差模信号，因此单端输入和双端输入的电压放大倍数是一样的。只不过从Vout1端和Vout2端获得的输出电压信号相位正好相反(如图5(b)、(c)所示)，由此说明采用双端输出获得的信号电压是单端输出的两倍。

3.4 温度分析(Temperature Sweep)
    研究电子电路的温度特性是非常必要的，因为半导体器件的显著缺点是其温度稳定性普遍较差。例如三极管，当环境温度变化时，会引起电流放大系数、反向饱和电流等参数发生变化，严重时甚至使电路无法正常工作。PSPICE的温度分析是计算所设计的电路在特定温度下的特性，是其特有的仿真功能。
    对图1和图2的差分放大电路分别进行温度分析，PSPICE仿真结果如图6所示。图中红色、蓝色和绿色的曲线分别代表其在27(常温)、40和60下的工作情况。可见，即使环境温度发生很大变化，差分放大电路的输出电压和频率特性几乎是不变的。因此采用差分结构的确可以有效地提高电子电路的温度稳定性，从而抑制主要由温度变化所引起的零点漂移。而这一点对保证集成运算放大器的工作性能具有非常重要的意义。
 
(a)PSPICE瞬态分析下的温度分析                                                                            (b)PSPICE交流分析下的温度分析
图6差分放大电路温度分析仿真结果

4 结束语
    利用PSPICE求解电路只需画出电路仿真图形，就能获取和处理实验数据，形成直观的波形图，非常方便快捷，其电路仿真无论在分析精度、实验效果等方面都有很好的性能。