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            模电实验2(差动放大器设计)


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            实验二
            实验目的

            差动放大电路设计
            实验原理 设计举例 实验内容与要求

            主要性能及其测试方法 电路安装与调试

            实验研究与思考题
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            一、实验目的
            1.掌握差动放大器的主要特性及其测 . 试方法; 试方法; 2.学习带恒流源式差动放大器的设计方 . 法和调试方法 ;
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            二、实验原理
            1.直流放大电路的特点 1 直流放大电路的特点 2.差动式直流放大电路 2 差动式直流放大电路 3.输入输出信号的连接方式 4.静态工作点的计算
            电子基础教学实验中心 3

            +V CC
            Rb
            I

            R C1

            R C2

            +
            V2 V1 Re2 V0

            R b1

            +
            Vi

            -

            -

            1、直流放大电路的特点

            图2.1

            在生产实践中, 在生产实践中,常需要对一些变化缓慢的信号进 行放大,此时就不能用阻容耦合放大电路了。为此, 行放大,此时就不能用阻容耦合放大电路了。为此, 若要传送直流信号,就必须采用直接耦合。 2.1所示 若要传送直流信号,就必须采用直接耦合。图2.1所示 的电路就是一种简单的直流放大电路。 的电路就是一种简单的直流放大电路。
            电子基础教学实验中心 4

            由于该电路级间是直接耦合,不采用隔直元件 (如电容或变压器),便带来了新的问题。首先, 直流工作点不是互相独立的,便产 由于电路的各级直流工作点不是互相独立的 直流工作点不是互相独立的 生级间电平如何配置才能保证有合适的工作点和足 够的动态范围的问题。其次是当直流放大电路输入 端不加信号时,由于温度、电源电压的变化或其他 干扰而引起的各级工作点电位的缓慢变化,都会经 过各级放大使末级输出电压偏离零值而上下摆动, 这种现象称为零点漂移。 这种现象称为零点漂移。
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            2.差动式直流放大电路

            图2.2

            典型差动式直流放大电路如图2.2所示。它是一种特殊 的直接耦合放大电路,要求电路两边的元器件完全对 称,即两管型号相同、特性相同、各对应电阻值相等。
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            3.带恒流源的差动放大器 带恒流源的差动放大器
            为了改善差动式直流放大 电路的零点漂移, 电路的零点漂移,利用了负 反馈能稳定工作点的原理, 反馈能稳定工作点的原理, 在两管公共发射极回路接入 了稳流电阻R 和负电源V 了稳流电阻RE和负电源VEE, 愈大,稳定性愈好。 RE愈大,稳定性愈好。但由 于负电源不可能用得很低, 于负电源不可能用得很低, 因而限制了R 阻值的增大。 因而限制了RE阻值的增大。 为了解决这一矛盾, 为了解决这一矛盾,实际应 用中常用晶体管恒流源来代 替RE,形成了具有恒流源的 2.3具 差动放大器,电路如图2.3 差动放大器,电路如图2.3具 有恒流源的差动放大器, 有恒流源的差动放大器,应 用十分广泛。 用十分广泛。

            图2.3

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            当某些环境因素或干扰 存在时,会引起电路参数 变化。例如当温度升高时, 三极管VBE会下降,β会增 加,使两管的集电极电流 增加了△ICQ1= △ ICQ2 = △ICQ,使两管集电极对地 I 电位也产生了一个增量 △VCQ1和△VCQ2,且数值 相等。此时输出电压的变 化量:
            △ V0=△VCQ1 - △VCQ2=0

            图2.3

            I 0 ≈ U RE 3 /R E 3 = (U R4 0.7)/R E 3 U R4 ≈ VEE × R 4 /(R 3 + R 4 )
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            三、主要性能及其测试方法

            1. 传输特性 2.差模特性 3. 共模特性

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            1. 传输特性
            传输特性是指差动放大器在 差模信号输入时, 差模信号输入时,输出电流 IC随输入电压的变化规律, 随输入电压的变化规律, 图2.4 传输特性曲线如图2.4所示。 所示。 传输特性曲线如图 所示 由传输特性可以看出: 由传输特性可以看出: 传输特性直观地反映了差分放大器的电 路对称性及工作状态, 路对称性及工作状态,可用来设置差动放大 器的静态工作点及调整与观测电路的对称性。 器的静态工作点及调整与观测电路的对称性。
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            2.差模特性 差模特性
            差模电压增益A 的测量方法是: 差模电压增益 Vd的测量方法是:输入 差模信号为V 设差分放大器为单端输入— 差模信号为 id,设差分放大器为单端输入 双端输出接法。用双踪示波器分别观测V 双端输出接法。用双踪示波器分别观测 Cl及 VC2,它们应是一对大小相等、极性相反的不 它们应是一对大小相等、 失真正弦波。 失真正弦波。用晶体毫伏表或示波器分别测 的值,则差模电压增益为: 量VC1、VC2的值,则差模电压增益为:

            A
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            vd

            =

            V

            C 1

            + V V id

            C 2

            (2.4)

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            如果是单端输出, 如果是单端输出,则

            Avd

            VC1 VC 2 = = V id V id

            (2.5)

            如果VC1与VC2不相等,说明放大器的参数不完全对称。 不相等,说明放大器的参数不完全对称。 如果V 相差较大,应重新调整静态工作点, 若VC1与VC2相差较大,应重新调整静态工作点,使电路性 能尽可能对称。 能尽可能对称。 差模输入电阻R 与差模输出电阻R 差模输入电阻Rid与差模输出电阻Rod的测量方法与基 本设计实验一的单管放大器输入电阻R 及输出电阻R 本设计实验一的单管放大器输入电阻Rid及输出电阻Rod的 测量方法相同。 测量方法相同。

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            3. 共模特性
            当差分放大器的两个输入端输入一对共模信号(大小相等、 当差分放大器的两个输入端输入一对共模信号(大小相等、 极性相同的一对信号,如漂移电压、电源波动产生的干扰等) 极性相同的一对信号,如漂移电压、电源波动产生的干扰等) △Vic时,则: (1)双端输出时,由于同时从两管的集电极输出,如果 )双端输出时,由于同时从两管的集电极输出, 电路完全对称,则输出电压上△ 电路完全对称,则输出电压上△VC1≈ △ VC2,共模电 压增益为

            Voc VC 1 VC 2 Avc = = =0 Vid Vic

            (2.6)

            如果恒流源电流恒定不变, 如果恒流源电流恒定不变,则△VC1=△VC2≈0,则 △ , AVc≈0。说明差分放大器双端输出时,对零点漂移等 。说明差分放大器双端输出时, 共模干扰信号有很强的抑制能力。 共模干扰信号有很强的抑制能力。

            电子基础教学实验中心

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            常用共模抑制比K 常用共模抑制比 CMR来表征差分放大器对共模 信号的抑制能力,即 信号的抑制能力,
            A A

            或者

            K

            C M R

            =

            v d v c

            (2.11)

            K

            CMR

            Avd dB = 201g Avc

            (2.12)

            KCMR愈大,说明差分放大器对共模信号的抑制 愈大, 力愈强,放大器的性能愈好。 力愈强,放大器的性能愈好。

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            共模抑制比K 的测量方法如下: 共模抑制比 CMR的测量方法如下:当差模电压增 益AVd的测量完成后,将放大器的①端与②端相连接, 输入Vic=500mV,fi=l000Hz的共模信号。如果电路 的对称性很好,恒流源恒定不变,则VC1与VC2的值近 似为零,示波器观测VCl与VC2的波形近似于一条水平 直线。共模放大倍数AVC≈0,则共模抑制比KCMR为:

            K

            C M R

            =

            如果电路的对称性不好,或恒流源不恒定, 如果电路的对称性不好,或恒流源不恒定,则VC1、 VC2为—对大小相等极性相反的正弦波,用交流毫伏表 对大小相等极性相反的正弦波, 对大小相等极性相反的正弦波 测量V 则共模电压增益为(单端输入时) 测量 C1、VC2,则共模电压增益为(单端输入时)
            ' vc

            A vd A vc

            ≈ ∞

            A
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            VC1 + VC 2 VC1 ' = 或 Avc = V id V id
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            四、电路安装与调试
            1.根据自己的设计参数,参照图2.2或2.3认 根据自己的设计参数,参照图 根据自己的设计参数 或 认 真组装电路, 真组装电路,并仔细检查电路 . 2.静态工作点的调试 静态工作点的调试
            输入端①接地, 输入端①接地,用万用表测量集电极对地的电压 VC1、VC2。若VC1≠VC2,证明电路不对称,应调整 P1, 证明电路不对称,应调整R 测得③ 测得③、④间电压为零,使得VC1=VC2,这一过程称之 间电压为零,使得 为调零。测量电阻RC1两端的电压,并改变RE3或R3、 调零。测量电阻 两端的电压,并改变 、 R4的比值使 0= 设计值(如1mA) 。 的比值使I 设计值( 的比值使 )
            电子基础教学实验中心 16

            五、实验内容与要求
            1.基本要求 基本要求 按左图设计一个单端输 入一双端输出差动式直流放 大电路,要求Avd>20, KCMR>40dB。电源电压为 ±12V,测试输入信号频率 12V 为lkHz,幅值为20mV的交 lkHz 20mV 流信号,负载电阻 RL=20k。 连接电路测量并调整静 态工作点,测量A 态工作点,测量 Vc、AVd、 Rid 、KCMR等指标并与设计 指标进行对比。 指标进行对比
            电子基础教学实验中心 17

            2.扩展要求 扩展要求 按左图设计一个带有恒流源 的单端输入一单端输出的差动放 大器。已知电源电压为±12V, 辐入信号是频率为lkHz,幅值 为20mV的交流信号,负载电阻 RL=20k。 要求: 要求 Rid>10k,AVd>15, KCMR>50dB。 连接电路测量并调整静态工 作点、 作点、AVc、AVd、Rid 、 、 、 KCMR等指标并与设计指标进 等指标并与设计指标进 行对比。 行对比。
            电子基础教学实验中心 18

            六、实验研究和思考题

            1.差动放大器中两管及元件对称对 . 电路性能有何影响? 电路性能有何影响? 2.为什么电路在工作前需进行零点 . 调整? 调整? 3.可否用交流毫伏表跨接在输出端 . 之间(双端输出时) ③与④之间(双端输出时)测差动 为什么? 放大器的输出电压 V0d?为什么?
            电子基础教学实验中心 19


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