一句话核心比喻
单差分对电路就像一个极其灵敏的“电流天平”。
它不关心“绝对重量”(输入的绝对电压),只关心“两边谁重谁轻”(两个输入电压的差值)。
1. 先看看这个“天平”长什么样
想象一个简单的结构:
一个恒流源(I₀):像是一个“总供水阀门”,控制着从水管流出的总水量(总电流)是固定不变的。这是整个电路的“心脏”。
两个相同的晶体管(Q1和Q2):像是两个完全一样、共享水源的水龙头。它们的水源(射极)都接在那个“总阀门”(恒流源)上。它们的集电极各自接出去。
两个输入端(V₁ 和 V₂):分别控制两个水龙头的开度。
两个输出端:从两个水龙头的出水口(集电极)取出信号。
这个结构就是“单差分对”。它成对出现(Q1和Q2),处理差分(差值)信号。
2. 这个“天平”是怎么工作的?(三种情况)
因为总水量(I₀)是固定的,所以 Q1 和 Q2 的电流(I₁ 和 I₂)永远满足:I₁ + I₂ = I₀。就像一个跷跷板,这边上去,那边就必须下来。
情况一:平衡状态(V₁ = V₂)
两个输入电压完全相等,意味着给两个水龙头的“开度指令”一样。
结果:水流(电流)被平均分配。I₁ = I₂ = I₀ / 2。
输出结果:两个输出端(集电极)的电压也会处于一个平衡的中间状态。这是我们希望的“零点”。
情况二:左边“重”一点(V₁ > V₂)
V₁ 比 V₂ 高一点点,相当于给Q1水龙头的“开度指令”更大。
“天平”立刻倾斜:Q1 会试图抢走更多的水流。I₁ 增加,I₂ 减少,但总和 I₀ 不变。
输出结果:Q1的集电极电流变大,导致其输出端电压下降;Q2那边电流变小,输出端电压上升。两个输出端之间就产生了电压差,这个差值与 (V₁ - V₂) 成正比。
情况三:右边“重”一点(V₁ < V₂)
过程和情况二完全相反。
Q2 抢走更多水流,I₂ 增加,I₁ 减少。
输出结果:Q1输出端电压上升,Q2输出端电压下降。
3. 它为什么厉害?(核心优点)
只放大“差值”,忽略“共同点”:
如果 V₁ 和 V₂同时升高或降低相同的量(比如都因为电源噪声而波动),它们的差值没变。根据上面原理,电流分配就不会变,输出也不变!
这叫“共模抑制”。它能有效滤除环境噪声、电源干扰等同时作用于两个输入端的垃圾信号。这是它最牛的特性!
天然的线性区:在小信号范围内,电流的分配与输入电压差成正比,关系很线性,失真小。
4. 现实世界在哪里能找到它?
它几乎是所有模拟和混合信号集成电路的基石单元:
运算放大器的输入级:你看到的运放(如LM358)的正负输入端,里面接的就是一个超高性能的差分对。这赋予了运放高增益和高抗干扰能力。
电压比较器:比较两个电压谁大谁小,输出一个明确的“高”或“低”信号。
模拟乘法器/混频器(无线电的关键):把一个信号加载到另一个信号上(比如把音频信号加载到无线电波上)。
数字逻辑电路(ECL):一些高速逻辑电路也用它的变种。
总结成一张图
恒流源 I₀ (总水量固定) | .-----. (共享水源点) | | Q1 Q2 (两个相同的水龙头) | | V₁ V₂ (控制开度的两个旋钮) | | 输出A 输出B (看两边出水的变化)
核心动作:你拧动 V₁ 和 V₂ 的旋钮,改变的只是固定总水量在 Q1 和 Q2 之间的分配比例。电路输出的就是这个比例变化,它忠实地反映了V₁ 和 V₂ 谁比谁大、大多少。