學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn)：BJT差分對(duì)

作者：ADI公司 Doug Mercer，顧問研究員；Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)旨在研究一個(gè)使用NPN晶體管的簡(jiǎn)單差分放大器。首先，我們需要做一些關(guān)于硬件限制問題的說明。ADALM2000系統(tǒng)中的波形發(fā)生器具有高輸出帶寬，該高帶寬代來了寬帶噪聲。由于差分放大器的增益，本次實(shí)驗(yàn)中測(cè)量所需的輸入信號(hào)電平相當(dāng)小。如果直接使用波形發(fā)生器輸出，則其輸出的信號(hào)信噪比不夠高。通過提高信號(hào)電平，然后在波形發(fā)生器輸出和電路輸入之間放置衰減器和濾波器（圖1），可以改善信噪比。本次實(shí)驗(yàn)需要如下材料：

• 兩個(gè)100 Ω電阻
• 兩個(gè)1 kΩ電阻
• 兩個(gè)0.1 μF電容（標(biāo)記為104）

圖1.11:1衰減器和濾波器

本次實(shí)驗(yàn)的所有部分都會(huì)使用該衰減器和濾波器。

帶尾電阻的差分對(duì)

材料

ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

• 無焊面包板
• 跳線
• 兩個(gè)10 kΩ電阻
• 一個(gè)15 kΩ電阻（將10 kΩ電阻和4.7 kΩ電阻串聯(lián)）
• 兩個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904或SSM2212 NPN匹配對(duì)）

說明

面包板連接如圖3所示。Q1和Q2應(yīng)從您可用的且VBE匹配最佳的晶體管中選擇。Q1和Q2的發(fā)射極與R3的一端連接在一起。R3的另一端連接到Vn （-5V），提供尾電流。Q1的基極連接到第一個(gè)任意波形發(fā)生器的輸出，Q2的基極連接到第二個(gè)任意波形發(fā)生器的輸出。兩個(gè)集電極負(fù)載電阻R1和R2分別連接在Q1和Q2的集電極與正電源Vp （5V）之間。差分示波器輸入（2+和2-）用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)10 kΩ負(fù)載電阻上的差分輸出。

圖2.帶尾電阻的差分對(duì)

硬件設(shè)置

第一個(gè)波形發(fā)生器配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0。第二個(gè)波形發(fā)生器配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V，但相位為180°。電阻分壓器將Q1和Q2的基極處的信號(hào)幅度降低到略小于200 mV。示波器的通道1中的1+腳連接到第一個(gè)波形發(fā)生器W1的輸出，1-腳連接到W2的輸出。通道2連接到圖中標(biāo)注2+和2-的位置，并設(shè)置為每格1 V。

圖3.帶尾電阻的差分對(duì)面包板電路

程序步驟

采集如下數(shù)據(jù)：x軸是任意波形發(fā)生器的輸出，y軸是使用2+和2-輸入的示波器通道2。通過改變R3的值，探索尾電流電平對(duì)電路增益的影響（觀察通過原點(diǎn)的直線的斜率）和對(duì)線性輸入范圍的影響，以及當(dāng)電路飽和時(shí)，觀察增益非線性下降的形狀。然后在基本電路上增加點(diǎn)小元件，例如發(fā)射極退化電阻，探索擴(kuò)展和線性化輸入擺幅范圍的技術(shù)及其對(duì)電路增益的影響。

配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。xy圖示例如圖4所示。

圖4.帶尾電阻的差分對(duì)xy圖

電流源用作尾電流

使用簡(jiǎn)單電阻作為尾電流具有局限性。應(yīng)探索構(gòu)建電流源來偏置差分對(duì)的方法。這可以由幾個(gè)額外的晶體管和電阻構(gòu)成，如之前的ADALM2000實(shí)驗(yàn)“穩(wěn)定電流源”所示。

附加材料

兩個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（Q3、Q4 = 2N3904或SSM2212）

說明

面包板連接如圖6所示。

圖5.帶尾電流源的差分對(duì)

硬件設(shè)置

第一個(gè)波形發(fā)生器配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0。第二個(gè)波形發(fā)生器也應(yīng)配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V，但相位為180°。電阻分壓器將Q1和Q2的基極處的信號(hào)幅度降低到略小于200 mV。示波器的通道1的1+腳連接到第一個(gè)波形發(fā)生器W1的輸出，1-腳連接到W2的輸出。通道2連接到標(biāo)注2+和2-的位置，并設(shè)置為每格1 V。

圖6.帶尾電流源的差分對(duì)面包板電路

程序步驟

配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。xy圖示例如圖7所示。

圖7.帶尾電流源的差分對(duì)xy圖

Measuring Common-Mode Gain

測(cè)量共模增益

圖8.共模增益配置

共模抑制是差分放大器的一個(gè)關(guān)鍵方面。CMR可以通過將兩個(gè)晶體管Q1和Q2的基極連接到同一輸入源來測(cè)量。圖10中的曲線顯示了當(dāng)W1的共模電壓從+2.9 V掃描至-4.5 V時(shí)，電阻偏置差分對(duì)和電流源偏置差分對(duì)的差分輸出。輸入上的最大正擺幅以晶體管的基極電壓超過集電極電壓和晶體管飽和電壓的點(diǎn)為限。這可以通過觀察晶體管的集電極電壓相對(duì)于地為單端（即將2-示波器輸入接地）來檢查。

硬件設(shè)置

波形發(fā)生器配置為100 Hz正弦波，峰峰值幅度為8 V，偏移為0。示波器的通道1的1+連接到第一個(gè)波形發(fā)生器W1的輸出，1-連接到地。通道2連接到標(biāo)注2+和2-的位置，并設(shè)置為每格1 V。

圖9.共模增益面包板電路

程序步驟

配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。產(chǎn)生的波形如圖10所示。

圖10.共模增益波形

問題：

對(duì)于圖8中的電路，如果將晶體管Q1的基極視為輸入，該晶體管放大器對(duì)于輸出2+和2-而言是反相還是同相？

對(duì)于同一電路，說明當(dāng)輸入電壓（W1）增加時(shí)，每個(gè)輸出電壓（2+和2-）會(huì)發(fā)生什么。另外請(qǐng)說明，當(dāng)輸入電壓減小時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問題答案。

作者簡(jiǎn)介

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院（RPI），獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。