基于差分對(duì)管的差分放大電路設(shè)計(jì)

蘇 利，馮文超 (武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079)

基于差分對(duì)管的差分放大電路設(shè)計(jì)

蘇 利，馮文超 (武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079)

在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用的差分放大電路可以利用差分對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)闡述用差分對(duì)管實(shí)現(xiàn)的差分放大電路各參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程。電路安裝調(diào)試結(jié)果表明，該電路的共模性能得到很大提高，應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中效果良好。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；差分放大；差分對(duì)管

模擬電路實(shí)驗(yàn)是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程之一，其中差分放大器實(shí)驗(yàn)是模擬電路實(shí)驗(yàn)中必須完成但又比較難做的實(shí)驗(yàn)，目前主要做法是在完成單級(jí)放大器的基礎(chǔ)上，采用單管配對(duì)的方法完成電路設(shè)計(jì)，但人工單管配對(duì)比較困難，造成差分放大器不對(duì)稱，各種技術(shù)指標(biāo)難以達(dá)到，大大增加了實(shí)驗(yàn)的非技術(shù)性難度[1]。為此，筆者利用差分對(duì)管進(jìn)行了差分放大電路的設(shè)計(jì)。

1 差分對(duì)管概述

圖1 差分對(duì)管引腳和內(nèi)部電路圖

差分對(duì)管也稱孿生對(duì)管，是2只性能參數(shù)相同的三極管封裝在一起構(gòu)成的電子器件，能以最簡(jiǎn)單的方式構(gòu)成性能優(yōu)良的差分放大器，一般用在音頻放大器或儀器、儀表中做差分輸入放大管[2]。常用的差分對(duì)管有2SA798、2SC1583和2SA979。筆者在實(shí)驗(yàn)中采用NPN型差分對(duì)管2SC1583，其引腳和內(nèi)部電路如圖1(a)、(b)所示，圖1(a)中的I01～I(xiàn)05分別對(duì)應(yīng)于圖1(b)中的①～⑤。

圖2 雙端輸入單端輸出差分放大電路的電路圖

2SC1583差分對(duì)管相關(guān)參數(shù)如下[3]：反向擊穿電壓VCE0為50V；耗散功率PCM為200mW(T=25℃)；三極管對(duì)比值hFE1/hFE2為0.98；|VBE1-VBE2|=1mV；電流傳輸系數(shù)hFE為250～800。

2 電路設(shè)計(jì)

目前常用的實(shí)驗(yàn)電路是具有恒流源的差分放大電路，其中雙端輸入單端輸出差分放大電路的電路圖如圖2所示。從圖2可以看出，該電路要自主配對(duì)4個(gè)三極管，很難達(dá)到該電路對(duì)對(duì)稱性的要求，從而難以達(dá)到電路的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)(如共模指標(biāo)等)。

圖2中連接Q1、Q2三極管發(fā)射極的電位器R1用于調(diào)節(jié)電路對(duì)稱，用1個(gè)差分對(duì)管代替Q1、Q2后可以取消該電位器。Q3、Q4構(gòu)成比例電流源電路，如果β即hFE足夠大且R8=R9時(shí)，有IE3≈IE4，則Q3、Q4的2個(gè)發(fā)射極e端可以直接相連，在2個(gè)發(fā)射極連接端接同1個(gè)電阻R8即可(見圖3)，這樣Q3、Q4也可以用差分對(duì)管代替。使用差分對(duì)管后的改進(jìn)電路如圖4所示。

圖3 比例電流源電路圖

利用差分對(duì)管來(lái)設(shè)計(jì)具有恒流源的雙端輸入單端輸出差分放大器，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)為Avdgt;15、Ridgt;20kΩ、KCMR≧50dB、RL=10kΩ。具體設(shè)計(jì)步驟如下：

1)選用一對(duì)NPN型差分對(duì)管2SC1583，測(cè)得其β值分別為β1=625，β2=585，β2/β1=0.936，兩者近似相同。

2)計(jì)算由差分對(duì)管構(gòu)成的差分放大器電路中相關(guān)參數(shù)。

由于該電路是雙端輸入電路，則差模輸入電阻：

Rid=2(R6+rbe)

圖4 使用差分對(duì)管的差分放大器電路圖

根據(jù)指標(biāo)條件Ridgt;20kΩ，有：

2(R6+rbe)gt;20kΩ

即：

R6+rbegt;10kΩ

取R6=R7=2kΩ,則rbegt;8kΩ,得：

從而：

I0lt;4.32mA (β=β1=625)

取靜態(tài)電流I0=IR=4mA，即IC1=IC2=I0/2=2mA，則：

由單端輸出指標(biāo)Avdgt;15,得：

對(duì)于恒流源電路，有：

IR=I0=|-VEE|-0.7V/(R+R8)

則：

取R8=2kΩ，則R≈0.83kΩ，為方便調(diào)整I0，R由1.5kΩ電阻R10和1kΩ電位器R11串聯(lián)組成。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

1)按照?qǐng)D4連接好電路，其中Vi1和Vi2接地，接通直流電源，用萬(wàn)用表測(cè)量差分對(duì)管各管腳電壓，得到各極靜態(tài)電壓值如表1所示。

表1 改進(jìn)電路各差分對(duì)管電壓(單位:V)

由表1可知，三極管處在放大區(qū)，靜態(tài)工作點(diǎn)分別是：

VRC=VCC-CC1Q=12-8.96=3.04VI0=2VRC/R2=4.05mA

VCE1=VC1Q-VE1Q=8.96-(-0.62)=9.58V

VCE2=VC2Q-VE2Q=9.55VVCE3=VC3Q-VE3Q=2.8V

各晶體管工作在放大狀態(tài)，且靜態(tài)工作電流I0(4.05mA)與設(shè)計(jì)的值略等，上述設(shè)計(jì)值為4mA。

2)將信號(hào)源輸入信號(hào)Vi1(50mV和1kHz)接入到Vi1，Vi2仍接地，利用示波器觀察集電極輸出電壓VC1的值為2.1V，則差模單端輸出增益Avd=VC1/Vi1=42。

3)將信號(hào)源輸入信號(hào)Vi1、Vi2(均為500mV和1kHz)同時(shí)接入Vi1和Vi2，利用示波器觀察集電極輸出電壓VC1值為20mV，測(cè)出單端輸出共模增益Avc=VC1/Vi1=0.04。

圖5 輸入電阻測(cè)量圖

單端輸出共模抑制比：

KCMR=20lg|Avd/Avc|=60.4

4)輸入電阻測(cè)量圖如圖5所示[5]。按圖5連接電路，將正弦波電壓信號(hào)接入Vi1(有效值100mV，頻率1kHz)，調(diào)節(jié)電器R至Vi2=1/2Vi1，則Rid=R，最后測(cè)得Rid≈25kΩ。

用示波器觀察傳輸特性曲線，發(fā)現(xiàn)其對(duì)稱性很好，表明電路達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

在差分放大電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，用差分對(duì)管取代三極管進(jìn)行放大電路的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，電路安裝調(diào)試很順利，其結(jié)果很容易重現(xiàn)。該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)包括如下幾點(diǎn)：①減少了一個(gè)電位器，差分對(duì)管的連接比原來(lái)4個(gè)三極管的連接更簡(jiǎn)單，使電路更簡(jiǎn)潔；②電路對(duì)稱性大大提高，實(shí)驗(yàn)效果更佳，特別容易達(dá)到共模指標(biāo)；③可以從差分對(duì)管中選出1個(gè)管代替單只三極管完成單級(jí)放大電路的實(shí)驗(yàn)，把差分和單級(jí)放大電路2個(gè)實(shí)驗(yàn)的器件合二為一，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。因此，該設(shè)計(jì)可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣使用。

[1]沈偉慈.模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2005，27(2):83-84.

[2]張坤，張子才，陳義.模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2008(1):59-60.

[3]趙柏樹.差分放大器的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].高師理科學(xué)刊,2006, 26(1)：89-91.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.07.029

TN722

A

1673-1409(2011)07-0081-03

2011-05-25

蘇利，女，碩士，講師，現(xiàn)主要從事電子線路方面的教學(xué)與研究工作。