三极管差分放大器.doc

创新实验项目报告书实验名称三极管差分放大器日期2012-3-9姓名专业电子信息工程 一、 实验目的（详细指明输入输出）1、 深入研究三极管差分放大器的原理。2、 差分输入电压Vid100mV；3、 要求放大电路增益20dB；4、 3dB带宽10Hz1MHz；5、 尽可能提高共模拟制比(KCMR)。二、实验原理（详细写出理论计算、理论电路分析过程）图1-1 差分放大器实验原理图差分放大器是基本放大电路之一，由于它具有抑制零点漂移的优异性能，因此得到广泛的应用，并成为集成电路中重要的基本单元电路，常作为集成运算放大器的输入级。典型的差分放大器电路如图1所示。即使在不对称的情况下，它也能较好地放大差模信号，而对共模信号的放大能力则很差，从而抑制了零点漂移。这一电路的特点，是在发射极串联了一个电阻Re。通常Re取值较大，由于分占了稳压电源较大的电压，使两管的静态工作点处于不合理的位置，因此引进辅助电源EE（一般取EE = EC），以抵消Re上的直流压降，并为基极提供适当的偏置。如图3-1所示，当输入差模信号时，T1管的ic1增加，T2管的ic2减小，增减的量相等，因此两管的电流通过Re的信号分量相等但方向相反，他们相互抵消，所以Re可视为短路，这时图1中的差分放大器就变成了没有Re的基本差分放大器电路，它对差模信号具有一定的放大能力。对于共模信号，两管的共模电流在Re上的方向是相同的，在取值较大的Re上产生较大的反馈电压，深度的负反馈把放大倍数压得很低，因此抑制了零点漂移。从上述可知，对差分放大器来说，其放大的信号分为两种：一种是差模信号，这是需要放大的有用的信号，这种信号在放大器的双端输入时呈现大小相等，极性相反的特性；另一种是共模信号，这是要尽量抑制其放大作用的信号。1、 差模电压放大倍数对于差模信号，由于Uid1 = Uid2，故射极电阻Re上的电流相互抵消，其压降保持不变，即 DUE = 0，可得到差模输入时的交流等效电路，如图2所示，由于电路对称，每个半边与单管共射极放大器完全一样。 双端输入双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为: （1）可见Aud与单管共射极放大器的电压放大倍数Au相同。考虑负载RL后，双端输入双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为： （2） 式中双端输入单端输出差分放大器的差模电压放大倍数为: （3）2、 共模电压放大倍数当输入共模信号时，Re上的压降为DUE=2DIERe，在画等效电路时把两管拆开，流过射极电路的电流为DIE，为了保持电压DUE不变，应把每管的发射极电阻Re增加一倍。当从两管的集电极输出时，如果电路完全对称，则输出电压Uoc= Uoc1Uoc2= 0，因此双端输出时的共模电压放大倍数Auc为： （4）如果采用双端输入单端输出的方式，则共模电压放大倍数为： （5）通常 b 1，2bRe Rb1 + rbe，故上式可简化为： （6）从上述讨论可知，共模电压放大倍数越小，对共模信号的抑制作用就越强，放大器的性能就越好。在电路完全对称的条件下，双端输出的差分放大器对共模信号没有放大能力，完全抑制了零点漂移。实际上，电路不可能完全对称，Auc并不为零，但由于Re的负反馈作用，对共模信号的抑制能力还是很强的。在Re取值足够大的情况下，即使是单端输出，也能把Auc1压得很低。如果电路不对称，则（4）式不为零，所以双端输入双端输出时的Auc应写成: Auc = Auc1 Auc2 （7）3、 共模抑制比共模抑制比指差分放大器的差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即： （8）共模抑制比说明了差分放大器对共模信号的抑制能力，其值越大，则抑制能力越强，放大器的性能越好。对于单端输出电路，由（3）式与（6）式，可以得到共模抑制比： （9）上式表明，提高共模抑制比的主要途径是增加Re的阻值。但当工作电流给定后，加大Re势必要提高 |EC| 。 为了在不用提高电源电压的情况下，能够显著地增大Re，可用晶体管构成的恒流源来代替Re。三、实验步骤（记录实验流程，提炼关键步骤）a) 确定元件型号，查找相关资料，设计最初的设计原理图。b) 在仿真软件上进行仿真。c) 进行硬件仿真。d) 按照电路原理图焊接电路板。e) 对电路板进行调试，并进行改进。四、实验结果（详细列出实验数据、protel实际电路图和结论分析） 根据如上所示的原理分析我们自己设计了电路并进行实际仿真软件的仿真如图3-2所示：图3-2 仿真原理图在未接入信号的时候，只加电源，调节滑动变阻器的阻值，使得两个三极管静态工作点达到相同并满足三极管工作在放大区的条件。1.1 差模信号的仿真实验 按照实验步骤在两输入端输入频率f = 1MHz，Uid1 = Uid2 = 1mV的差模信号，观察到的波形图如图3-3所示:图3-3 差模信号的输入和输出波形 在这里，我们明显的观察到输入信号和输出信号是反相的关系，放大倍数约为100倍。1.2 共模信号的分析当输入频率f = 1000Hz，Uic = 100mV的共模信号时，波形如图3-5所示：图3-5 共模时输入与输出波形图可见，此时输出信号是0 ，共模电压放大倍数为0。 仿真结果与我们预期要验证的差分放大器结果近似相符合，满足了放大差模信号，抑制共模信号，共模抑制比为无穷大的特点。1.3 实际实验结果与分析 根据之前的理论分析，我们焊接好实物并亲手进行了实验。根据要求，测出了静态工作点，如表1-1所示：Vb1Vb2Vc1Vc2Ve-0.084-0.0746.446.41-0.756表1-1 静态工作点 当输入是差模信号时,测得输入与输出电压值如表1-2所示：ViVi1Vi2VoVo1Vo20.1v50mv-50mv4.0v2.02v2,03v表1-2 差模实验数据 当输入是共模信号的时候，测得数据如表1-3所示：V1Vi1Vi2VoVo1Vo20.1v0.1v0.1v35mv41.8mv42.0mv表1-3 共模实验数据