摘 要： 設(shè)計(jì)了一種差動(dòng)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(dòng)放大器的特性。實(shí)驗(yàn)電路切換簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，便于實(shí)踐。使用Multisim 10對(duì)電路進(jìn)行仿真，測(cè)算了兩種差動(dòng)放大器電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路實(shí)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(dòng)放大器；Multisim 10；零點(diǎn)漂移；電路轉(zhuǎn)換
0 引言
提升系統(tǒng)性能要從放大器開(kāi)始。差動(dòng)放大器是一種平衡對(duì)稱電路，特別適合在集成電路中使用。差動(dòng)放大器有兩個(gè)輸入端子和兩個(gè)輸出端子。在模擬集成電路中，差動(dòng)放大電路是使用最廣泛的單元電路。它不僅可與另一級(jí)差動(dòng)放大器直接級(jí)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(jí)[1]。在多級(jí)直接耦合放大器中，零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的輸出干擾將使放大器無(wú)法放大和輸出微弱信號(hào)。輸入級(jí)的零點(diǎn)漂移是產(chǎn)生這種干擾的主要原因。零點(diǎn)漂移也叫溫漂，可描述為：當(dāng)放大電路輸入信號(hào)為零（即沒(méi)有交流電輸入）時(shí)，受溫度變化、電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化并被逐級(jí)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(dòng)的現(xiàn)象。為了達(dá)到簡(jiǎn)化電路、便于集成的目的，將電阻負(fù)載差動(dòng)放大器的雙端輸出轉(zhuǎn)換成有源負(fù)載差動(dòng)放大器的單端輸出，在保證共模抑制（零點(diǎn)漂移）的前提下，提高了差模增益。
1 理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖1為本實(shí)驗(yàn)方案差動(dòng)放大器的結(jié)構(gòu)圖，使用Multisim 10[2-3]對(duì)電路進(jìn)行仿真。通過(guò)開(kāi)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(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(lái)調(diào)節(jié)[4-5]。T1和T2管通過(guò)發(fā)射極電阻Re互相聯(lián)系并實(shí)現(xiàn)差動(dòng)功能，為了提高電路的溫度穩(wěn)定性、減小零點(diǎn)漂移、克服兩管參數(shù)的不對(duì)稱性以及提高電路對(duì)共模信號(hào)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(lái)消除共電耦合[6]。
將開(kāi)關(guān)S3和S4打到集電極電阻一邊，為電阻負(fù)載電路差動(dòng)放大器。開(kāi)關(guān)S1和S2令信號(hào)源u1和u2置零，開(kāi)關(guān)S5用來(lái)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(shí)測(cè)值R4兩端電壓Uo=10.36 ?滋V，很小，可忽略。將開(kāi)關(guān)S3、S4打到另外一邊，為有源負(fù)載差動(dòng)放大器電路；S5接地，為單端輸出。
1.1 靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量
T1管的UBE1=UBE2≈0.7 V（硅管）。構(gòu)成差動(dòng)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(diǎn)比較如表1所示。
對(duì)于NPN三極管，UCQ>UBQ>UEQ，三極管工作在放大區(qū)；對(duì)于任何一個(gè)BJT放大電路來(lái)說(shuō)，首先必須選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，以保證信號(hào)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(huì)出現(xiàn)飽和失真和截止失真。有源負(fù)載差動(dòng)放大器UCQ比較大，靜態(tài)工作點(diǎn)偏低，當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，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(hào)輸入
當(dāng)U1=-U2時(shí)，為差模信號(hào)輸入，測(cè)試信號(hào)最大值為50 mV，頻率1 kHz。由于差放電路的對(duì)稱性，計(jì)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(dòng)放大器的單邊交流小信號(hào)微變等效電路，圖3為有源負(fù)載差動(dòng)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(jì)算如下：
圖3中放大倍數(shù)計(jì)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(dòng)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(shí)，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(dòng)放大器的放大倍數(shù)是電阻負(fù)載差動(dòng)放大器的兩倍以上。在增益提高的同時(shí)，采用有源負(fù)載的差動(dòng)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(jì)算出：雙端輸入單端輸出電阻負(fù)載電路差動(dòng)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(dòng)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(dòng)放大器的KCMR=322.7，CMR=50.2 dB。
綜上所述，信號(hào)的共模抑制比有所下降，通過(guò)分析和計(jì)算，共模信號(hào)也得到了很好的抑制。
2 結(jié)論
Multisim 10具有強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)和仿真分析功能，結(jié)合微變等效模型分析計(jì)算。采用恒流源作負(fù)載時(shí)，由于兩端的輸出電壓不平衡，因此一般采用單端輸出，實(shí)現(xiàn)了由電阻負(fù)載差動(dòng)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(duì)于共模信號(hào)抑制比較明顯，而且在靜態(tài)時(shí)對(duì)工作電流ic1、ic2具有負(fù)反饋?zhàn)饔茫芊€(wěn)定靜態(tài)工作電流iee，抑制工作點(diǎn)隨溫度變化產(chǎn)生的零點(diǎn)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(dòng)態(tài)內(nèi)阻，取代Rem，大大提高了差放對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。采用開(kāi)關(guān)變換電路操作簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果明顯，便于提高在差動(dòng)放大器研究中的動(dòng)手能力。
參考文獻(xiàn)
[1] 王衛(wèi)東，李旭瓊．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2010.
[2] 張愛(ài)英.基于Multisim的三極管放大電路仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（4）：123-126.
[3] 呂曙東.Multisim 10在差動(dòng)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(dòng)放大器的原理及四種連接方法（上）[N].電子報(bào)，2011-05-15.
[5] 王志輝.關(guān)于差動(dòng)放大器中Rw電阻的平衡原理[J].青島教育學(xué)院學(xué)報(bào)，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.