摘 要： 設計了一種差動放大器的教學電路，研究了電阻負載和恒流源負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對電路進行仿真，測算了兩種差動放大器電路的靜態工作點、差模電壓放大倍數、共模電壓放大倍數以及共模抑制比等。實驗結果表明，該電路實現了雙端輸出轉單端輸出路，達到電路轉換目的。
關鍵詞： 教學；差動放大器；Multisim 10；零點漂移；電路轉換
0 引言
提升系統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，而且具有優異的差模輸入特性。它幾乎是所有集成電路、數據放大器、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生這種干擾的主要原因。零點漂移也叫溫漂，可描述為：當放大電路輸入信號為零（即沒有交流電輸入）時，受溫度變化、電源電壓不穩等因素的影響，靜態工作點發生變化并被逐級放大和傳輸，導致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動的現象。為了達到簡化電路、便于集成的目的，將電阻負載差動放大器的雙端輸出轉換成有源負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 理論分析與實驗結果
圖1為本實驗方案差動放大器的結構圖，使用Multisim 10[2-3]對電路進行仿真。通過開關S1~S5進行控制，選擇不同的偏置電路和負載電路來進行實驗研究。由于晶體管內部參數不一致性，需用平衡電阻Rw來調節[4-5]。T1和T2管通過發射極電阻Re互相聯系并實現差動功能，為了提高電路的溫度穩定性、減小零點漂移、克服兩管參數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S3和S4打到集電極電阻一邊，為電阻負載電路差動放大器。開關S1和S2令信號源u1和u2置零，開關S5用來選擇單端輸出或者雙端輸出。調節平衡電阻Rw，根據電路綜合考慮，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S3、S4打到另外一邊，為有源負載差動放大器電路；S5接地，為單端輸出。
1.1 靜態工作點測量
T1管的UBE1=UBE2≈0.7 V（硅管）。構成差動放大器的晶體三極管為2N914的NPN硅管。放大系數β=60。兩種電路的靜態工作點比較如表1所示。
對于NPN三極管，UCQ>UBQ>UEQ，三極管工作在放大區；對于任何一個BJT放大電路來說，首先必須選擇合適的靜態工作點Q，以保證信號電壓（電流）的正負半周范圍內，BJT都工作在放大區，否則就會出現飽和失真和截止失真。有源負載差動放大器UCQ比較大，靜態工作點偏低，當輸入信號增大時，容易出現截止失真，即輸出波形上部變平。
1.2 交流小信號輸入
當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為有源負載差動放大器電路的微變等效電路，具體數據如表2所示。
圖2中放大倍數計算如下：
圖3中放大倍數計算如下：
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，有源負載差動放大器的放大倍數是電阻負載差動放大器的兩倍以上。在增益提高的同時，采用有源負載的差動放大器便于集成，體積小，電路更加精密。根據共模抑制比
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 結論
Multisim 10具有強大的電路設計和仿真分析功能，結合微變等效模型分析計算。采用恒流源作負載時，由于兩端的輸出電壓不平衡，因此一般采用單端輸出，實現了由電阻負載差動放大器雙端輸出到單端輸出的輸出轉換功能，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，而且在靜態時對工作電流ic1、ic2具有負反饋作用，能穩定靜態工作電流iee，抑制工作點隨溫度變化產生的零點漂移。采用恒流源作為差放發射極的偏執電阻，不但能為差放提供穩定的偏執電流，而且恒流源具有很大的動態內阻，取代Rem，大大提高了差放對共模信號的抑制能力。采用開關變換電路操作簡單，測試結果明顯，便于提高在差動放大器研究中的動手能力。
參考文獻
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