摘  要： 設(shè)計了一種差動放大器的教學(xué)電路，研究了電阻負(fù)載和恒流源負(fù)載的差動放大器的特性。實驗電路切換簡單，測量方便，便于實踐。使用Multisim 10對電路進(jìn)行仿真，測算了兩種差動放大器電路的靜態(tài)工作點、差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)以及共模抑制比等。實驗結(jié)果表明，該電路實現(xiàn)了雙端輸出轉(zhuǎn)單端輸出路，達(dá)到電路轉(zhuǎn)換目的。

　　關(guān)鍵詞： 教學(xué)；差動放大器；Multisim 10；零點漂移；電路轉(zhuǎn)換

0 引言

　　提升系統(tǒng)性能要從放大器開始。差動放大器是一種平衡對稱電路，特別適合在集成電路中使用。差動放大器有兩個輸入端子和兩個輸出端子。在模擬集成電路中，差動放大電路是使用最廣泛的單元電路。它不僅可與另一級差動放大器直接級聯(lián)，而且具有優(yōu)異的差模輸入特性。它幾乎是所有集成電路、數(shù)據(jù)放大器、模擬乘法器等電路的輸入級[1]。在多級直接耦合放大器中，零點漂移產(chǎn)生的輸出干擾將使放大器無法放大和輸出微弱信號。輸入級的零點漂移是產(chǎn)生這種干擾的主要原因。零點漂移也叫溫漂，可描述為：當(dāng)放大電路輸入信號為零（即沒有交流電輸入）時，受溫度變化、電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，靜態(tài)工作點發(fā)生變化并被逐級放大和傳輸，導(dǎo)致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動的現(xiàn)象。為了達(dá)到簡化電路、便于集成的目的，將電阻負(fù)載差動放大器的雙端輸出轉(zhuǎn)換成有源負(fù)載差動放大器的單端輸出，在保證共模抑制（零點漂移）的前提下，提高了差模增益。

1 理論分析與實驗結(jié)果

　　圖1為本實驗方案差動放大器的結(jié)構(gòu)圖，使用Multisim 10[2-3]對電路進(jìn)行仿真。通過開關(guān)S1~S5進(jìn)行控制，選擇不同的偏置電路和負(fù)載電路來進(jìn)行實驗研究。由于晶體管內(nèi)部參數(shù)不一致性，需用平衡電阻Rw來調(diào)節(jié)[4-5]。T1和T2管通過發(fā)射極電阻Re互相聯(lián)系并實現(xiàn)差動功能，為了提高電路的溫度穩(wěn)定性、減小零點漂移、克服兩管參數(shù)的不對稱性以及提高電路對共模信號的抑制能力等，一般需要選擇較大的電阻Re。電感L1和電容C1是電源去耦電路，用來消除共電耦合[6]。

　　將開關(guān)S3和S4打到集電極電阻一邊，為電阻負(fù)載電路差動放大器。開關(guān)S1和S2令信號源u1和u2置零，開關(guān)S5用來選擇單端輸出或者雙端輸出。調(diào)節(jié)平衡電阻Rw，根據(jù)電路綜合考慮，Rw一般選取幾百歐姆，本方案中Rw=400 Ω[5]。使負(fù)載R4兩端的輸出電壓為零，實測值R4兩端電壓Uo=10.36 ?滋V，很小，可忽略。將開關(guān)S3、S4打到另外一邊，為有源負(fù)載差動放大器電路；S5接地，為單端輸出。

　　1.1 靜態(tài)工作點測量

　　T1管的UBE1=UBE2≈0.7 V（硅管）。構(gòu)成差動放大器的晶體三極管為2N914的NPN硅管。放大系數(shù)β=60。兩種電路的靜態(tài)工作點比較如表1所示。

　　對于NPN三極管，UCQ>UBQ>UEQ，三極管工作在放大區(qū)；對于任何一個BJT放大電路來說，首先必須選擇合適的靜態(tài)工作點Q，以保證信號電壓（電流）的正負(fù)半周范圍內(nèi)，BJT都工作在放大區(qū)，否則就會出現(xiàn)飽和失真和截止失真。有源負(fù)載差動放大器UCQ比較大，靜態(tài)工作點偏低，當(dāng)輸入信號增大時，容易出現(xiàn)截止失真，即輸出波形上部變平。

　　1.2 交流小信號輸入

　　當(dāng)U1=-U2時，為差模信號輸入，測試信號最大值為50 mV，頻率1 kHz。由于差放電路的對稱性，計算差模的電壓增益和共模的抑制特性，選取左半邊作微變等效電路，圖2為電阻負(fù)載差動放大器的單邊交流小信號微變等效電路，圖3為有源負(fù)載差動放大器電路的微變等效電路，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

　　圖2中放大倍數(shù)計算如下：

　　圖3中放大倍數(shù)計算如下：

　　左邊黑框中為T5管的等效電阻R01=rbe5//rbe6，電阻較小；右邊黑框中為T6管的等效電阻R02≈rce6，電阻很大；相當(dāng)于差動放大器T1管所接的集電極電阻較小，T2管所接的集電極電阻很大。

　　當(dāng)U1=U2時，也作微變等效電路求解。Uic=Uic1=Uic2；Rem為比例恒流源偏置的輸出電阻，值很大，可忽略。

　　由表2可知，有源負(fù)載差動放大器的放大倍數(shù)是電阻負(fù)載差動放大器的兩倍以上。在增益提高的同時，采用有源負(fù)載的差動放大器便于集成，體積小，電路更加精密。根據(jù)共模抑制比和共模抑制CMR=20log10KCMR可計算出：雙端輸入單端輸出電阻負(fù)載電路差動放大器的KCMR=365.6，CMR=51.26 dB；雙端輸入雙端輸出電阻負(fù)載電路差動放大器的KCMR=1.19×107，CMR=141.5 dB；雙端輸入單端輸出有源負(fù)載電路差動放大器的KCMR=322.7，CMR=50.2 dB。

　　綜上所述，信號的共模抑制比有所下降，通過分析和計算，共模信號也得到了很好的抑制。

2 結(jié)論

　　Multisim 10具有強大的電路設(shè)計和仿真分析功能，結(jié)合微變等效模型分析計算。采用恒流源作負(fù)載時，由于兩端的輸出電壓不平衡，因此一般采用單端輸出，實現(xiàn)了由電阻負(fù)載差動放大器雙端輸出到單端輸出的輸出轉(zhuǎn)換功能，差模增益大大提高，共模抑制也較明顯，而且便于在集成電路中使用。由式（7）可知，射極負(fù)反饋偏置電阻Rem越大，對于共模信號抑制比較明顯，而且在靜態(tài)時對工作電流ic1、ic2具有負(fù)反饋作用，能穩(wěn)定靜態(tài)工作電流iee，抑制工作點隨溫度變化產(chǎn)生的零點漂移。采用恒流源作為差放發(fā)射極的偏執(zhí)電阻，不但能為差放提供穩(wěn)定的偏執(zhí)電流，而且恒流源具有很大的動態(tài)內(nèi)阻，取代Rem，大大提高了差放對共模信號的抑制能力。采用開關(guān)變換電路操作簡單，測試結(jié)果明顯，便于提高在差動放大器研究中的動手能力。

參考文獻(xiàn)

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　　[3] 呂曙東.Multisim 10在差動放大電路分析中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（22）：24-27.

　　[4] 顧振遠(yuǎn).差動放大器的原理及四種連接方法（上）[N].電子報，2011-05-15.

　　[5] 王志輝.關(guān)于差動放大器中Rw電阻的平衡原理[J].青島教育學(xué)院學(xué)報，1995（1）：37-39.

　　[6] 王衛(wèi)東．高頻電子電路[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2009.