差動(dòng)放大電路輸出波形的實(shí)驗(yàn)測試方法

韓躍平等

摘 要： 差動(dòng)放大電路是《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程中的教學(xué)重點(diǎn)，由于電路存在多個(gè)輸入/輸出模式而造成了理論學(xué)習(xí)上的困難，而差功放大電路的直接耦合特性，更是成為大學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上測試單端輸出電路中差模與共模輸出波形的困惑。這里以Multisim軟件仿真的形式，詳細(xì)介紹差放電路在雙端與單端輸出模式下差模輸出與共模輸出信號(hào)的具體測試方法，在單端輸出時(shí)首先測試在零輸入情況下輸出端的直流成分，然后在輸入端加載差模輸入與共模輸入信號(hào)并分別測試總的輸出，最后在總的輸出中減去零輸入情況下的直流輸出分量，得到凈差模輸出與共模輸出信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算得到電路的差模與共模電壓放大倍數(shù)。該方法彌補(bǔ)了國內(nèi)主流教材上均沒有對(duì)此部分內(nèi)容明確闡述的實(shí)際，可作為大學(xué)生在差放電路實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)參考，同時(shí)也有助于加深對(duì)課堂理論教學(xué)的理解。

關(guān)鍵詞： 差動(dòng)放大電路； 輸出波形測試； Multisim； 實(shí)驗(yàn)仿真

中圖分類號(hào)： TN722?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）12?0132?03

0 引 言

差動(dòng)放大電路利用電路結(jié)構(gòu)與元器件參數(shù)完全對(duì)稱性的特點(diǎn)，能有效地抑制零點(diǎn)漂移，理論上只對(duì)有用的差模輸入信號(hào)放大，極大地提高了直接耦合放大電路抵抗環(huán)境噪聲干擾的能力，因此作為直接耦合多級(jí)放大電路的輸入級(jí)，廣泛應(yīng)用于模擬集成運(yùn)放中。然而，作為模擬電子線路的重要單元內(nèi)容，差動(dòng)放大電路一直是大學(xué)生學(xué)習(xí)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的一個(gè)難點(diǎn)，表現(xiàn)為電路形式多樣、理論分析復(fù)雜、以及實(shí)驗(yàn)測試?yán)щy。在電路形式上，根據(jù)輸入/輸出方式的不同，差放電路一般分為雙入雙出、雙入單出、單入雙出、單入單出四種典型電路。正如大多數(shù)教材的編寫，將單端輸入看作雙端輸入的一個(gè)特例（其中一端輸入信號(hào)恰好為零），可將差放電路僅僅根據(jù)輸出模式的不同簡單劃分為雙（單）入雙出、雙（單）入單出兩種。在具體的理論分析中，同基本放大電路一樣也分為靜態(tài)工作點(diǎn)測試與動(dòng)態(tài)特性分析兩步，分別采用直流通路與交流通路分析，而動(dòng)態(tài)特性分析中針對(duì)共模信號(hào)和差模信號(hào)的具體分析方法又有不同。

由于差動(dòng)放大電路的輸入信號(hào)通常是微弱信號(hào)，在輸出端與負(fù)載（或下級(jí)電路）之間采取了直接耦合模式，沒有電容等隔直措施，因此負(fù)載上獲得的電壓信號(hào)是差放電路輸出的全部電壓，既包含放大后的差模小信號(hào)，也包含相對(duì)較大的直流成分。對(duì)于雙端輸出模式，兩個(gè)三極管集電極輸出的直流電壓互相抵消，但在單端輸出模式下，如何在輸出端從整體電壓信號(hào)中測試比例很小的有用差模信號(hào)，目前主流教材中均沒有明確介紹，查閱參考文獻(xiàn)，也沒有對(duì)單端輸出模式下怎樣具體測試輸出差模與共模信號(hào)的相關(guān)報(bào)道[1?8]。為此，本文以Multisim軟件仿真實(shí)驗(yàn)形式[9]，對(duì)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》的這部分內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充分析。

1 雙端輸出差放電路動(dòng)態(tài)參數(shù)測試

1.1 差模信號(hào)測試

電路如圖1所示。

采用雙通道示波器測試，A通道接兩個(gè)三極管的基極B1和B2雙端輸入端口，B通道接集電極C1和C2雙端輸出端口，測試波形如圖2所示。

由圖2可知，輸出波形與輸入反相，利用示波器T1時(shí)刻測試結(jié)果計(jì)算有：

[Ad=通道B代表的差模出Uod通道A代表的差模入2Uid=-0.673 10.008 5≈-79]

1.2 共模信號(hào)測試

將兩個(gè)輸入信號(hào)源電壓有效值都改為13 mV共模輸入，示波器A通道接基極B1與地單端輸入端口，B通道接集電極C1與C2雙端輸出端口，測試波形如圖3所示。

由圖3可知，輸入為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，而輸出為弱噪聲信號(hào)，利用示波器T1時(shí)刻測試結(jié)果計(jì)算：

[Ac=通道B代表的共模出Uoc通道A代表的共模入U(xiǎn)ic=959×10-1218×10-3≈0]

由上述測試分析可知，在雙端輸出時(shí)，由于電路左右結(jié)構(gòu)參數(shù)完全對(duì)稱，C1和C2兩點(diǎn)之間僅僅輸出差模信號(hào)，對(duì)共模信號(hào)與電路的直流偏置信號(hào)幾乎完全抑制。

2 單端輸出差放電路動(dòng)態(tài)參數(shù)測試

2.1 差模信號(hào)測試

將電路改為C1點(diǎn)對(duì)地單端輸出，左右兩端輸入電壓的有效值分別為16 mV和10 mV，示波器通道A接基極B1與B2雙端輸入端口，B通道接C1與地單端輸出端口，測試差模輸出波形如圖4所示。

將電路改為C2點(diǎn)對(duì)地單端輸出，輸入信號(hào)不變，示波器通道A仍然接B1與B2雙端輸入端口，B通道接C2與地單端輸出端口，測試差模輸出波形如下：

由圖4、圖5可知，C1（C2）點(diǎn)對(duì)地輸出波形與輸入反（同）相，且都包含有很大的直流分量，導(dǎo)致輸出波形整體上移很多，這是因?yàn)閱味溯敵鰰r(shí)沒有隔直措施，輸出信號(hào)中既包含放大的交流分量，也包含很大的直流偏置分量。國內(nèi)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》主流教材中，對(duì)此部分內(nèi)容的介紹均采用了基本放大電路中類似的方法，首先分析三極管集電極的靜態(tài)直流偏置電壓，然后利用交流通路分析動(dòng)態(tài)指標(biāo)（包括差模與共模輸出信號(hào)），進(jìn)而計(jì)算差模與共模電壓放大倍數(shù)。而在單端輸出下如何合理測試差模與共模輸出電壓，所有教材中都沒有具體介紹，在各個(gè)大學(xué)的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》公共視頻或PPT多媒體教學(xué)中也沒有發(fā)現(xiàn)有明確講解，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)課堂上學(xué)生測試到圖4和圖5波形時(shí)產(chǎn)生疑惑。

為此把左、右兩輸入端直接接地，然后單獨(dú)測試單端輸出的集電極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓。C1點(diǎn)對(duì)地靜態(tài)工作點(diǎn)電壓測試如圖6所示。

由圖可見，無交流信號(hào)輸入時(shí)，C1點(diǎn)對(duì)地輸出的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓為1.432 V，對(duì)C2點(diǎn)測試同樣得到1.432 V。

分別利用圖4、圖5的T1時(shí)刻測試結(jié)果，并結(jié)合圖7，計(jì)算差模電壓放大倍數(shù)：

2.2 共模信號(hào)測試

將兩個(gè)輸入信號(hào)源電壓有效值都改為13 mV輸入，A通道接B1點(diǎn)對(duì)地端口，B通道接C1點(diǎn)對(duì)地端口，測試C1點(diǎn)對(duì)地單端輸出的共模信號(hào)如圖8所示。

由圖8并結(jié)合圖7，射極耦合的差動(dòng)放大電路單端輸出（C1對(duì)地）時(shí)，共模放大倍數(shù)為：

[Ac1=Uoc1Uic=1.427-1.43218×10-3≈-0.3]

同樣方法可測算得到[Ac2≈0.3]。

對(duì)于射極耦合差動(dòng)放大電路，雙端輸出時(shí)，共模輸出與直流輸出（本質(zhì)上直流信號(hào)也為共模信號(hào)）幾乎為零；而單端輸出時(shí)有比較小的共模信號(hào)與很大的直流信號(hào)。

3 結(jié) 語

本文利用Multisim軟件，以仿真實(shí)驗(yàn)的形式，介紹了《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程中差動(dòng)放大電路動(dòng)態(tài)輸出波形的具體測試方法。由于差放電路采用了直接耦合，輸出端與負(fù)載（或下級(jí)電路）之間沒有隔直措施，單端輸出時(shí)既包含放大的交流信號(hào)，也包含很大的直流成分，因此在輸出波形測試中首先需要在輸入端對(duì)地短接的情況下測試輸出的直流成分，然后分別在輸入端加載差模輸入與共模輸入信號(hào)，最后在總的輸出波形中減去直流分量，得到差模輸出與共模輸出信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算得到電路的差模與共模放大倍數(shù)。

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