差分放大器的设计与调试实验指南

【实验目的】

(1)进一步理解差分放大器的性能及特点。

(2)掌握差分放大器的设计和测试方法。

(3)提高独立设计和调测电路的能力。

【设计任务】

参考图8.3.2电路,设计一个恒流源偏置的差分放大器。

(1)给定条件:

◆电源电压±5 V;

◆晶体管使用8050;

◆调零电位器RP用100Ω。

(2)指标要求:

◆差模输入电阻Rid≥20 kΩ;

◆单端输出电压放大倍数Aud单≥15。

(设计提示:晶体管8050的β值比较分散,设计时用β取200进行计算;rbb′取300Ω)

【测试任务】

1.静态调测

将电路的静态工作电流调至设计值,并调节电路的对称性至最佳。测量各个晶体管的直流偏置情况,确定电路直流偏置正常。

2.测量差模电压放大倍数

选用适当的输入信号,测量电路单端输入-单端输出情况下的差模电压放大倍数是否达到指标要求。如不达标则调整电路直至达标,并在坐标纸上定量画出示波器显示的合格电路输入、输出波形。

提示:

◆信号源内阻为50Ω。

◆根据电路的动态范围和电压放大倍数的理论值,选择输入信号幅度。

3.测量差模输入电阻Rid

参考单管放大电路输入电阻的测试方法,选用适当的输入信号,测量电路的差模输入电阻Rid是否达到指标要求,如不达标则调整电路直至达标。

注意:

◆信号输入端接入参考电阻时,在另一不用的输入端也应接入相同阻值的电阻以保持电路的对称性。

◆差分电路为高输入阻抗电路。

4.测量传输特性

①选择适当的输入信号,示波器观察差分放大器的传输特性曲线,在坐标纸上定量画出该曲线,标出曲线上各个关键点的值,并标出曲线不同的区域。

②RP两固定端之间并联一个100Ω电阻,观测传输特性曲线的变化,定量画出该曲线,标出曲线上各个关键点的值,并标出曲线不同的区域。

【实验预习】

(1)查阅晶体管8050的用户使用手册,了解其相关参数和使用方法,自拟表格摘录与本实验相关的重要参数并解释其含义。

(2)阅读本实验【相关知识】,掌握差分电路设计和调测方法。

(3)根据设计任务进行电路设计,列出详细设计过程并画出完整详细电路图,并对电路进行仿真和分析。

(4)根据相关的测量方法,针对测试任务,拟定详细的调测操作步骤,设计相关数据表格并准备数据纸,列出实验操作注意事项。

(5)在面包板上搭建实验电路。

(6)预习思考题:

①“安装差分电路时,如果仅需要从差分电路的uo1单端输出信号,则只需根据设计阻值选择RC1进行连接即可,RC2可以选比RC1小的电阻,甚至可以去掉,将VT2的集电极直接接正电源,不会影响电路正常工作”,上述说法正确吗?为什么?

②测差分电路的双端输出信号时,为什么不能将示波器或毫伏表接在两个输出端uo1和uo2之间进行测量?用什么方法可以使示波器显示出uo1端和uo2端之间的电压波形?

③测量电路的电压传输特性曲线时输入信号的频率越低,越不受电路工作速度的影响,差分电路是直接耦合电路,无下截止频率,则用示波器测量其电压传输特性曲线时,频率可否用1 Hz?为什么?如何确定合适的频率?

【报告撰写】

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

◆思考题:

①根据实验结果,从传输特性角度分析RP对差分电路的影响。

②通过本次实验,总结对差分电路的认识。

【相关知识】

1.差分放大电路的性质

差分放大电路也称差动放大电路,简称差分电路,由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成,具有很高的输入阻抗和共模抑制比,常被用于直流放大器、测量放大器,也广泛应用于集成电路中的输入级和中间放大级。了解差分放大电路的特性有助于更好地理解和运用集成运放。

图8.3.1是带恒流源的差分放大器。晶体管VT1和VT2组成对称的差分结构,电阻RC1=RC2=RC。VT3构成恒流源电路为差分结构提供恒定工作电流。电位器RP为调零电位器,通过调节RP可以弥补因VT1和VT2的参数不一致引起的电路不平衡。因RP引入负反馈会降低电路的电压放大倍数,所以RP的取值不能太大,一般取100Ω。

差分电路有两个输入端ui1和ui2以及两个输出端uo1和uo2,输入信号分为差模输入信号和共模输入信号两类。

(1)差分放大器的静态分析

静态时,图8.3.1所示差分放大电路输入信号为零,也就是两个输入端ui1和ui2均接地。

恒流源电路中晶体管VT3的基极电位UB3由R1和R2分压决定:

图8.3.1　带恒流源的差分放大器

VT3的发射极电位UE3为:

UBE为晶体管VT3的发射结导通压降,硅管为0.6～0.7 V,锗管为0.2 V。

VT3的发射极电流IE3为:

从以上各式的推导可以看出,VT3的UBE确定后,其发射极电流IE3由负电源-UEE、电阻R1和R2、RE决定,不受差分电路状态和晶体管β等参数的影响。而晶体管集电极电流和发射极电流近似相等,所以VT3的集电极电流IC3也是恒定的,所以VT3组成的电路称为恒流源电路。其恒定电流与两个晶体管VT1和VT2的静态电流关系为:

因VT1和VT2组成的电路具有对称性,有:

通过式(8.3.4)和式(8.3.5),可以得到差分电路的重要电流关系:

(2)差分放大器的差模特性

差分放大器的输入和输出各有单端和双端两种方式,因此差分放大器的输入输出共有4种不同的连接方式。连接方式不同,电路的特性参数不同。各种情况下的差模特性如表8.3.1所示。由表可知,电路的差模电压放大倍数与输入方式无关,只与输出方式有关,且双端输出放大倍数为单端输出放大倍数的两倍。

表8.3.1　差分电路不同输入输出方式的差模特性

(3)差分放大器的共模特性及共模抑制比(www.xing528.com)

差分电路的共模电压放大倍数定义为:

式中,UiC为共模输入信号,指差分电路两个输入端同时输入一对极性相同、幅值相同的信号。理想差分电路的共模电压放大倍数为零。但实际电路中由于两个晶体管的参数不完全对称,其共模电压放大倍数为一个不为零的值。

共模抑制比(CMRR)是衡量差分放大电路抑制共模信号放大差模信号能力的指标,其定义为:

CMRR的英文全称是Common Mode Rejection Ratio,也是集成运算放大器的重要指标,符号也常用Kcmr,单位是分贝(d B)。

2.差分放大器的设计

与其他放大电路的设计类似,首先根据电路的具体应用场合以及前后级情况,明确差分放大器的各项性能指标。例如,根据前级电路的带载能力和需要放大的信号的频率范围,确定电路的输入阻抗范围和通频带宽度;根据电路的后级负载的大小和对信号大小的要求,明确电路的输出阻抗范围、电压放大倍数、最大输出电压等。对于差分电路来讲,可能还有CMRR的指标要求,CMRR的指标要求可以分解为差模电压放大倍数和共模电压放大倍数的指标要求。

设计差分放大电路时可能需要考虑的指标如表8.3.2所示。根据这些指标要求,逐步选择供电电压、器件型号、元件参数等,通过实际测量和调整,最终得到满足性能指标的电路。

表8.3.2　设计差分放大电路时可能需要考虑的指标

(1)确定电源电压

差分放大电路从+UCC端到-UEE端的电源电压范围,应大于电路的最大输出电压加RE3上的电压的和,满足该条件后,一般要结合系统中其他电路的电源电压情况,合理选取统一的电源电压值,以简化供电电路。

(2)选择晶体管VT1、VT2

根据指标要求,如果电路的频带宽度有要求,应注意选择特征频率fT高、r′bb和Cob小的晶体管,并且晶体管集电极—发射极电压VCEO和基极—发射极电压VBEO的额定值应大于电路从正电源+UCC到负电源-UEE的电压范围。

差分放大电路是以VT1和VT2的特性一致为前提进行工作的,所以应选同一型号的晶体管,然后通过测量,选择β值相近的两只管子,以获得较好的共模抑制特性。如果对电路的共模抑制比有较高要求,应选择集成差分对管。

(3)选择VT1的VT2的静态工作电流IC

因差分电路的对称性,VT1的VT2的静态工作电流IC1=IC2=IC。从表8.3.1可以看出,晶体管静态工作电流影响电路的差模输入阻抗Rid,对差模电压放大倍数也有影响。因此选择IC的值时应根据电路差模输入电阻的指标要求,根据表8.3.1中的公式计算IC的取值范围,然后在允许范围内,结合恒流源电路的设计并兼顾测量的方便性,取定IC的值。

(4)确定恒流源电路

①确定RE

考虑对VT3发射结电压的稳定作用,RE上的电压URE至少应在1 V以上。电路设计时URE一般在1～3 V的范围取值。而RE上的电流应为IC的两倍,所以可以计算RE的值:

②确定电阻R1、R2

R1、R2在地和-UEE之间分压,为VT3提供基极直流电位。当流过R1和R2的电流I1远大于晶体管VT3基极电流IB3时,才能保证晶体管基极直流电压UB3的稳定,一般取I1≥10IB3,而IB3可以通过式(8.3.16)计算,然后确定分压电路电流I1。

已知VT3发射极电阻RE的电压降为URE,所以为VT3的发射极直流电位UE3和基极的直流电位UB3分别为:

UBE为晶体管VT3的基极-发射极导通电压,一般硅管为0.6 V,锗管为0.2 V。

实际电路中,R1通常用一个电位器和一个固定电阻串联以便于调节,同时起到保护电路的作用。

R2和前面RE的计算值如果不在电阻标称系列阻值内,可以取相近的标称值,通过R1中电位器的调节,即可使VT3晶体管发射极电流为2IC。

(5)确定RC1、RC2

RC1和RC2的阻值相等,记为RC,从表8.3.1中可以看出RC与电路的差模电压放大倍数相关。如果对电路的差模电压放大倍数Aud有要求,应根据要求计算RC的合理取值或取值范围,然后结合RC对电路动态范围的影响,在满足Aud要求的前提下,RC的取值应使晶体管VT1和VT2的集电极直流电位约等于+UCC的一半。

电阻值取标称系列阻值。

3.差分放大器的调测

(1)静态调整

差分放大器的静态调整电路如图8.3.2所示。图中电路的两个输入端接地,恒流源电路中的R1用电位器和一个固定电阻组成。

第一步,调恒流源电流为设计值。用万用表直流电压挡检测RE上的压降,调R1中的电位器改变R1的大小,使RE上的压降为2IC×RE,则恒流源电流为2IC。

第二步,调IC1=IC2=IC。用万用表直流电压档检测两个输出端之间的电压,调节调零电位器RP使两个输出之间的电压为零,电路达到对称平衡。

第三步,进一步检测各个晶体管的静态参数,确保各晶体管处于正常偏置状态。

(2)电压放大倍数测量

①测差模电压放大倍数Aud

差分放大器的差模电压放大倍数Aud是指在差分放大器两个晶体管的基极加上大小相等、极性相反的输入信号时,电路输出电压与输入电压之比。差分放大器的Aud与输入方式无关,只与输出方式有关,因此,在测Aud时,可以将差分放大器接成单端输入方式,以方便连接。具体电路如图8.3.3所示。

图8.3.2　差分放大器的静态调整

图8.3.3　测差分放大器Aud

内阻为RS的信号源选择输出适当频率和幅度的正弦信号,接入差分电路的输入端ui1,为了保持电路的对称性,在另一输入端ui2需要对地接入一个与信号源内阻RS相等的平衡电阻R′S。

如果测量单端输出,用示波器同时观测输入信号和单端输出信号uo1或uo2,输出信号应无自激、无干扰、无非线性失真,确保电路正常工作。用晶体管毫伏表测输入输出信号的有效值uid和uod。

如果测双端输出,示波器或毫伏表是不能接在两个输出端uo1和uo2之间的,所以应先用示波器正确观察两输出信号波形正常,然后用毫伏表分别测量uo1和uo2两个的输出信号的有效值,相加得到双端输出信号有效值uod双。

②测共模电压放大倍数Auc

共模电压放大倍数的测量与差模电压放大倍数的测量类似,只要将图8.3.3中ui2所接的电阻R′S去掉,将差分电路的两个输入端ui1、ui2并在一起,同时接信号源提供的同一个输入信号,其他操作和Aud完全一致,也可以分单端输出和双端输出两种情况。

(3)传输特性曲线的测量

差分放大器的传输特性是指差分放大器在差模输入信号uid的作用下,两个晶体管电流iC随输入电压uid变化的规律,如图8.3.4所示。

差分放大器传输特性可以分为三个区,理想情况下三个区的范围如下:

◆线性区:在∣uid∣≤VT=26 m V范围内,电流与电压之间有良好的线性。

◆非线性区:在VT≤∣uid∣≤4VT范围,iC随uid作非线性变化。

◆限幅区:在∣uid∣≥4VT=104 m V的范围,iC不再随uid而变化。

由于输出电压uo=+UCC-ic Rc,而UCC、Rc是确定的,因此uo与ic的变化规律为线性关系,只是大小变化方向相反。测量uo比测量ic方便,可用示波器测量输出电压uo随差模输入电压uid的变化规律,这个规律也是差分放大器的电压传输特性,如图8.3.5所示。电压传输特性是研究许多大信号输入电路的工具。

图8.3.4　差分电路传输特性曲线

图8.3.5　差分电路电压传输特性曲线

差分电路电压传输特性曲线的测量框图如图8.3.6所示,该图也适用于其他电路电压传输特性曲线的测量。

图8.3.6　电压传输特性曲线的测量框图

电压传输特性曲线的测量应注意两点:

◆第一点,正确选择输入信号的幅度和频率

因电压传输特性体现输出电压随输入电压的变化规律,所以输入信号的电压能随时间变化即可,变化规律不限。所以输入可以是任意随时间变化的信号,如正弦、三角波等。

输入信号幅度不能太小,输入信号的电压变化范围应覆盖电路工作的所有线性区和非线性区。根据电路特点,还需判断输入信号是否需要加入直流偏移量。

根据电压传输特性的特点,理想情况下输入信号的频率对电路的电压传输特性应无影响,但是实际上输入信号频率过高,电路会受到器件速度的限制导致性能发生变化。所以输入信号的频率应在示波器能够稳定显示的基础上尽量选低。

◆第二点,正确使用示波器

在测试前,应通过示波器显示屏上两通道的零电平(或基线)位置,确定X-Y方式下坐标原点在显示屏上的位置。

测试过程中先同时观察输入、输出波形正常,再转用X-Y方式观测传输特性,并注意理解X和Y方向上的坐标意义。