「双差动」与「全推挽」

wensan

「双差动」与「全推挽」



二十年前我为「音响技术」杂志规划「AT-3教练机」时，
便想说明「全推挽」输入架构的好处，
只是光靠文字描述，总觉得词不达意！
如今有了SPICE这种工具，
把两种电路加以仿真比较，
更能显示出其中的差异。

下面是「双快枪」的差动放大级部分的电路及用PSPICE仿真的结果，


从仿真结果可看出输入讯号只要超出大约+/-1V的范围时，
输出便会过荷。
也就是说差动放大电路只能在A类范围内工作，
超过A类工作范围便过荷了，
因此差动放大电路的「输入动态范围」较小。

「全推挽」输入电路与PSPICE仿真的结果如下，


从模拟结果可看出「全推挽」输入电路在超出A类工作范围时，
可以变成AB类的工作方式，
因此就算有一边截止，还是有另一边在工作着。
相形之下，
「全推挽」输入电路的「输入动态范围」也就比差动放大电路大多了。

「双差动」输入电路如果像下面这样修改，
情况便大不相同！


这个电路虽然只是在上下两个差动电路中间加个电容而已，
但就因为这个电容打破了差动放大电路只能在A类范围内工作的限制，
让「双差动」输入电路也可以像「全推挽」输入电路一样，
以AB类的方式工作！


JFET钻石差动电路

如果把「双快枪」的差动放大电路改用JFET取代，
形成JFET「双差动」输入电路如下：

PSPICE模拟结果如下：

从仿真结果可看出差动放大电路的电压增益变小了，
但输入讯号大到+/-2.5V的范围以上才发生输出过荷，
也就是说差动放大电路的「输入动态范围」变大了。

由于JFET工作时的G-S接面为逆偏，
不像BJT工作时的B-E接面是顺偏，
所以JFET「双差动」输入电路可以修改如下：

PSPICE模拟结果如下：

为了维持相同的偏流，
所以把JFET的源极电阻阻值加大，
导致差动放大电路的电压增益更小了，
但差动放大电路的「输入动态范围」也更大了。

特别值得注意的一点是，
这个差动放大电路不再是只能在A类范围内工作，
也能像「全推挽」输入电路一样以AB类的方式工作！
这种电路有人把它命名为「钻石差动电路」。

如果要加大差动放大电路的电压增益，
又要维持相同的偏流，
可以采用下面的方式：

PSPICE模拟结果如下：

电路中那个电容如果不加上去，
这个电路由A类范围进入AB类时，
电压增益会突然变得很小，
造成失真增加。

小鬼头

就可以不考虑输入级的动态问题，因为负反馈总是有效，总能令输入级的工作处于线性区。

wensan

以下是引用小鬼头在2004-10-17 20:04:00的发言：
我总觉得它与TIM有密切关系。。。。因为，若果环路反馈是理想的话，原来过小的动态范围会通过反馈来获得很大的提高——在BJT差分级设射极电阻产生本级反馈而令动态范围增大，从总体上来说与环路反馈是等效的。但一旦考虑到环路反馈的延时问题，就令这两种方法有了明显的不同，TIM上的表现也不一样。

TIM本来就是反馈信号来不及反应，
导致输入级瞬间过荷的问题。

小鬼头

我总觉得它与TIM有密切关系。。。。因为，若果环路反馈是理想的话，原来过小的动态范围会通过反馈来获得很大的提高——在BJT差分级设射极电阻产生本级反馈而令动态范围增大，从总体上来说与环路反馈是等效的。但一旦考虑到环路反馈的延时问题，就令这两种方法有了明显的不同，TIM上的表现也不一样。

wensan

以下是引用locky_z在2004-10-16 13:26:00的发言：
菱形差动在大信号时，同极性的差分管其中一只应该已经截止了，另一只的集电极电流继续增大，额外的电流由下面互补的异型管来提供，这样子，同极性的差分两只管的集电极负载产生信号波形,应该一只正常，一只饱和吧。达不到差分效果吧。

当输入讯号大到超过A类工作范围时，
钻石（菱形）差动电路的四个晶体管有两个截止，
另外两个形成「串联差动」电路继续工作。

locky_z

以下是引用DANIELYANG在2004-10-16 9:45:00的发言：
那么这个A类范围的大小是否和他的静态工作电流成正比？可否通过加大他的工作电流来拓展A类范围？

不行，差动电路没有射极电阻时的输入电压范围都是26mv,和电流无关，但串入射极电阻就和电流有关了，就可以扩展范围。

以下是引用小鬼头的发言：
这样改后，应该还是差分，因为基本结构还在

菱形差动在大信号时，同极性的差分管其中一只应该已经截止了，另一只的集电极电流继续增大，额外的电流由下面互补的异型管来提供，这样子，同极性的差分两只管的集电极负载产生信号波形,应该一只正常，一只饱和吧。达不到差分效果吧。

DANIELYANG

差动放大电路只能在A类范围内工作，
那么这个A类范围的大小是否和他的静态工作电流成正比？可否通过加大他的工作电流来拓展A类范围？

小鬼头

以下是引用locky_z在2004-10-15 10:58:00的发言：
对菱形差分我还存在一个问题，这样子接法，还算差分吗？例如取消掉Q1Q6,Q3也接一个和Q2一样的负载电阻，Q2 Q3集电极还能输出同样幅度相位相反的信号吗？

这样改后，应该还是差分，因为基本结构还在[em03]

wensan

有差分输入，无差分输出。

小鬼头

关于标准的差动电路，BJT（三极管）形式的动态工作范围也就1V左右，如果加大射极电阻，可以扩展这个范围，但是会带来失调电压过大的弊端。而JFET形式的在未加S极本地反馈电阻前，大约已有2V的动态范围。

美国加州柏克莱大学Mayer与另一人合著的经典书籍《模拟集成电路的设计与分析》一书对此有详细分析——音响设计大师John Curl在分析电路原理时也曾不时引用此书，有志于电路分析设计的可留意此书——此书是我当年的大学教材（盗版复印的[em03][em04]），国内可能还没翻译出版此书，但我曾见到是复旦大学出版社出版、由该大学教研室所著的近似书名、蓝色封面的一本书，有基本相同的主要内容[em03][em11]）

关于对上下对称差动电路进行改进，国内的《无线电与电视》杂志1984年合订本里有一篇对菱形差动电路的专题文章，也有接近于WENSAN兄的分析结果。

看完了这文章后两三年，我曾对一个上下对称差动电路，使用WENSAN兄所给出的加进电解电容的同样方法，作个小试验，但我的条件太差（根本没测试设备）、又没心思去钻研，很快就放弃了，什么结果、数据也没留下[em10]——我现在忘了这加电容的方法，是该文章所给的，还是我自己想出来的[em05]

locky_z

这个电路的电容加得新颖，我觉得他可以等效于双极管的菱形差动，但一般双极管菱形差动的输入阻抗较低，要加入偏置电路，并且不能起到差分电路保证输出电位为0的功能。
但你这个电路完全避免了这个问题。  [em01]好！好！[em01]

对菱形差分我还存在一个问题，这样子接法，还算差分吗？例如取消掉Q1Q6,Q3也接一个和Q2一样的负载电阻，Q2 Q3集电极还能输出同样幅度相位相反的信号吗？

wensan

请参考「双快枪」的差动级加电容的电路。

johnluck

差放部分如何改，我想实践一下。
<img src="attachments/dvbbs/20041015329453575.jpg" border="0" onload="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.alt=\'Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out\';}" onmouseover="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.style.cursor=\'hand\'; this.alt=\'Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out\';}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open(\'attachments/dvbbs/20041015329453575.jpg\');}" onmousewheel="return imgzoom(this);" alt="" />

wensan

竟然会网络流量太高，
被PChome给列管了！！！

DANIELYANG

可惜图全部看不到

HXCLTD

[em05]

lzx4443

<img src="attachments/dvbbs/2004101416484764627.gif" border="0" onload="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.alt=\'Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out\';}" onmouseover="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.style.cursor=\'hand\'; this.alt=\'Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out\';}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open(\'attachments/dvbbs/2004101416484764627.gif\');}" onmousewheel="return imgzoom(this);" alt="" />

赤兔

天天hifi

小钳子

DarkHorse

我一进来就昏掉了，还是先收藏着……