放大器实现平方律功能，巧妙差分电路设计揭秘

在电子技术领域，放大器的设计与应用一直是研究的热点。EDN 电子技术设计今年 3 月曾发表了一个设计实例 ——“将单电源单端输入改成伪 A/B 类差分输出放大器”，此设计引发了关于将该电路用于全波整流的讨论。随后，EDN 美国版编辑 Aalyia 针对更适合平方律功能（square - law function）的电路进行了后续探讨。

图 1 展示了基于双极性差分放大器的 Ltspice 实现电路。在这个电路中，Q1 与 Q3 分别作为 + 与 – 有源差分输入组件，这一设计使得该电路更适合实现平方律功能。

图1：基于双极性差分放大器的LTspice实现，Q1与Q3分别作为+和–有源差分输入组件，使该电路更适合实现平方律功能

此外，额外的组件 Q2 与 Q4 被加入到 Q1 与 Q3 之间的 “中心点”（center point）。其作用在于，当无差分电压存在时，能保持所有组件的集电极电流相等。这是发生这种情况的原因是电阻R7与R8在+和-差分输入之间创建了一个虚拟差分零伏“中心点”，且所有组件的Vbe相同(忽略由于Q2与Q4基极偏置电流导致的R7与R8上的小电压降)。

R7 与 R8 设定了电路配置的差分输入阻抗，而 R1 与 R3 则设定了仿真中信号源的差分阻抗。组件的发射极电流由 “尾电流源”（tail current source）I1 控制，其值为 4mA。因此，在零差分输入时，每个组件的发射极电流约为 1mA。值得一提的是， - Diff 输入信号是通过一个电压控制电压源生成的，其有效增益为 - 1，因为它反向感测 + Diff 输入电压（VIN +）。这种配置使得 LTspice 在进行信号扫描时，能够提供完整差分输入信号。

为了进行理想平方律比较，虽然电压控制电流源 B1 并非电路本身的一部分，但它被配置为通过平方差分电压（Vin + –Vin -）并乘以比例因子 K，生成理想的平方律特性。图 2 展示了在扫描差分输入电压源从 - 200mV 到 + 200mV 的过程中，各组件电流的仿真结果。差分输出电流的计算方式为：[Ic(Q1)+Ic(Q3)] – [Ic(Q2)+Ic(Q4)]。

从仿真结果可以看出，在差分输入电压±60mV范围内，其特性与理想平方律接近，比例系数为0.3(A/V)。

图 2：仿真结果显示，在扫描差分输入电压源从 - 200mV 到 + 200mV 时，各组件电流的变化情况

需要注意的是，此电路属于跨导（transconductor）型电路，其输出为受差分输入电压控制的差分电流。这种电路设计在电子信号处理、通信等领域有着潜在的应用价值，例如在信号调制、解调等方面，能够更精确地处理信号，提高系统的性能。

最后，感谢 Aalyia 让我们对这篇设计实例进行后续讨论，希望有更多读者会对这个电路以及前述电路设计感兴趣，共同推动电子技术在放大器设计与应用方面的发展。