差動放大電路實驗

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差動放大電路實驗報告嚴(yán)宇杰 141242069 匡亞明學(xué)院1. 實驗?zāi)康模?） 進一步熟悉差動放大器的工作原理；（2） 掌握測量差動放大器的方法。2. 實驗儀器雙蹤示波器、信號發(fā)生器、數(shù)字多用表、交流毫伏表。3. 預(yù)習(xí)內(nèi)容（1） 差動放大器的工作原理性能。（2） 根據(jù)圖3.1畫出單端輸入、雙端輸出的差動放大器電路圖。4.實驗內(nèi)容 實驗電路如圖3.1。它是具有恒流源的差動放大電路。在輸入端，幅值大小相等，相位相反的信號稱為差模信號；幅值大小相等，相位相同的干擾稱為共模干擾。差動放大器由兩個對稱的基本共射放大電路組成，發(fā)射極負(fù)載是一晶體管恒流源。若電路完全對稱，對于差模信號，若Q1的集電極電流增加，則Q2的集電極電流一定減少，增加與減少之和為零，Q3和Re3等效于短路，Q1,Q2的發(fā)射極等效于無負(fù)載，差模信號被放大。對于共模信號，若Q1的集電極電流增加，則Q2的集電極電流一定增加，兩者增加的量相等，Q1、Q2的發(fā)射極等效于分別接了兩倍的恒流源等效電阻，強發(fā)射極負(fù)反饋使共射放大器對共模干擾起強衰減作用，共模信號被衰減。從而使差動放大器有較強的抑制共模干擾的能力。調(diào)零電位器Rp用來調(diào)節(jié)T1,T2管的靜態(tài)工作點，希望輸入信號Vi=0時使雙端輸出電壓Vo=0. 差動放大器常被用作前置放大器。前置放大器的信號源往往是高內(nèi)阻電壓源，這就要求前置放大器有高輸入電阻，這樣才能接受到信號。有的共模干擾也是高內(nèi)阻電壓源，例如在使用50Hz工頻電源的地方，50Hz工頻干擾源就是高內(nèi)阻電壓源。若放大器的輸入電阻很高，放大器在接受信號的同時，也收到了共模干擾。于是人們希望只放大差模信號，不放大共模信號的放大器，這就是差動放大器。運算放大器的輸入級大都為差動放大器，輸入電阻都很大，例如LF353的輸入電阻約為1012量級，0P07的輸入電阻約為107量級。 本實驗電路在兩個輸入端分別接了510電阻，使差動放大器的輸入電阻下降至略小于這一數(shù)值，這是很小的輸入電阻。其原因是，本實驗電路用分列元件組成，電路中對稱元件的數(shù)值并不是完全相等；其集電極為電阻負(fù)載，而不是恒流源負(fù)載；其發(fā)射極為恒流源負(fù)載，而不是鏡像電流源負(fù)載，所以本實驗電路的共模抑制比并不高。若本實驗電路在輸入端不接510電阻，其輸入電阻將較大，而共模抑制比不夠高，實驗環(huán)境中存在的高內(nèi)阻共模干擾將進入輸入端，那么輸出端的共模干擾將較大，以致使驗證差動放大器特性的實驗難以進行。由于實驗中所用信號源都為低輸出電阻信號源，所以輸入端接上510電阻后幾乎不影響實驗電爐接受來自信號源的信號，而高內(nèi)阻共模干擾因?qū)嶒炿娐份斎腚娮璐蟠笙陆刀旧媳痪苤斎攵送?，從而使得輸出端的共模干擾很小，實驗得以順利進行。輸入端接510電阻并不改變差動放大器的共模抑制比。 由此可見，在可以降低差動放大器輸入電阻時，降低差動放大器輸入電阻，可提高差動放大器的抗高內(nèi)阻共模干擾的能力。 實驗這弱的到教師的同意，可去掉實驗電爐中的兩個510歐電阻，再做實驗就會發(fā)現(xiàn)，實驗電路輸出端的共模干擾明顯增加。（1） 靜態(tài)工作點的調(diào)整與測量 將兩個輸入端Vi1、Vi2接地，調(diào)整電位器Rp使VC1=VC2，測量并填寫下表。由于元件參數(shù)的離散，有的實驗電路可能只能調(diào)到大致相等。靜態(tài)調(diào)整的越對稱，該差動放大器的共模抑制比就越高。 測量中應(yīng)注意兩點，一是所有的電壓值都是對“地”測量值。二是應(yīng)使測量的值有三位以上的有效數(shù)字。靜態(tài)工作點調(diào)整對地電壓VB1VB2VB3VC1VC2VC3VE1VE2VE3測量值（V）00-7.90126.47116.4501-0.7817-0.63985-0.64013-8.5650由以上數(shù)據(jù)可得交流放大倍數(shù)為：（2） 測量雙端輸入差模電壓放大倍數(shù) 在實驗箱上調(diào)整DC信號源，使得OUT1大約為0.1V，OUT2大約為-0.1V，然后分別接至Vi1、Vi2，再調(diào)整，使得OUT1為0.1V，OUT2為-0.1V，測量，計算并填寫下表。雙端輸入差模電壓放大倍數(shù)測量值（V）計算值VC1VC2VOAD1AD2AD3.15559.7610-6.6055-16.58-16.55-33.0仿真測量值（V）仿真計算值2.30410.367-8.063-20.84-19.58-40.31 這樣做的原因是，實驗電路的輸入端對地有510歐的電阻，實驗箱上的可變直流電壓源是用1k的可變電阻對5V、0.5V直流電壓分壓實現(xiàn)的，即直流電壓信號源內(nèi)阻于實驗電路輸入電阻大小可比。直流電壓信號源接負(fù)載使得電壓將明顯小于未接負(fù)載時的電壓，所以必須將直流電壓信號源于實驗電爐連接后，再把輸入電壓調(diào)到所需要的電壓值。 這里，雙端輸入差模電壓單端輸出的差模放大倍數(shù)應(yīng)用下式計算：差模放大倍數(shù)實驗值與仿真值誤差為：差模放大倍數(shù)的理論值可由以下公式計算：，其中（3） 測量雙端輸入共模抑制比CMRR 將兩個輸入端接在一起，然后依次與OUT1、OUT2相連，記共模輸入為ViC。測量、計算并填寫下表。若電路完全對稱，則VC1-VC2=Vo=0，實驗電路一般并不完全對稱，若測量值有四位有效數(shù)字，則Vo不應(yīng)等于0. 這里雙端輸入共模電壓單端輸出的共模放大倍數(shù)應(yīng)用下式計算：建議CMRR用dB表示測量雙端輸入共模抑制比CMRR輸入（V）測量值（V）計算值VC1VC2VOAC1AC2ACCMRR+0.10016.47436.44690.02470.032-0.0320.24742.52輸入+0.1仿真6.3276.32700.02-0.020無窮-0.10036.49176.43280.05890.206-0.3830.58934.96輸入0.1仿真6.3296.32900.04-0.040 無窮 由于理想狀態(tài)下（正如仿真所得），所以共模放大倍數(shù)理論值為0，因此共模抑制比CMRR理論值為無窮。 事實上，電路不可能完全對稱，因此，共模輸入時放大器的V 不等于0，因而 AC也不等0，只不過共模放大倍數(shù)很小而已。共模輸入時，兩管電流同時增大或減小，Re3上的電壓降也隨之增大或減小，Re3起著負(fù)反饋作用。 由此可見，Re3 對共模信號起抑制作用；Re3 越大，抑制作用越強。晶體管因溫度、電源電壓等變化所引起的工作點變化，在差動放大器中相當(dāng)于共模信號，因此，差動放大器大大抑制了溫度、電源電壓等變化對工作點的影響。（4） 測量單端輸入差模電壓放大倍數(shù) 將Vi2接地，Vi1分別于OUT1、OUT2相連，然后再接入f=1KHz，有效值為50mV的正弦信號，測量計算并填寫下表。若輸入正弦信號，在輸出端VC1、VC2的相位相反，所以雙端輸出Vo的模是它們兩個模的和，而不是差。單端輸入差模電壓放大倍數(shù)輸入測量值（V）單端輸入放大倍數(shù)ADVC1VC2VO直流+0.1V4.80688.1128-3.306-33.06直流-0.1V8.16834.75843.4099-34.10正弦信號0.7680.7741.54230.84仿真如下：輸入測量值（V）單端輸入放大倍數(shù)ADVC1VC2VO直流+0.1V4.2258.434-4.209-42.09直流-0.1V8.4364.2244.212-42.12正弦信號1.061.062.1242.4實驗值與仿真值的誤差為：單端輸入的差模放大倍數(shù)理論上應(yīng)該與雙端輸入的相近，因此其理論值也是-105.45. 思考題（1） 實驗箱上的雙端輸入差動放大器的共模抑制比不算高，若要進一步提高共模抑制比，可采取哪些辦法？1） 提高差動放大器的輸入阻抗或提高閉環(huán)增益。2） 可以用一個晶體管恒 流源取代 Re3。因為工作于線形放大區(qū)的晶體管的 Ic 基本上不隨 Vce 變化（恒流特性），所以交流 電阻=Vce /Ic 很大，大大提高了共模抑制比。（2） 圖3.1中的電阻Rb1、Rb2在電路中起到什么作用，若去除上述兩個電阻，按實驗（3）步驟和方法再測CMRR，兩次測量的結(jié)果是否會有較大差別？為什么？在兩個輸入端分別接了510電阻，使差動放大器的輸入電阻下降至略小于510，這是很小的輸入電阻。其原因是，本實驗電路用分列元件組成，電路中對稱元件的數(shù)值并不完全相等；其集電極為電阻負(fù)載，而不是恒流源負(fù)載；其發(fā)射極為恒流源負(fù)載，而不是鏡像電流源負(fù)載，所以本實驗電路的共模抑制比并不高。若本實驗電路在輸入端不接510電阻，其輸入電阻將較大，而共模抑制比不夠高，實驗環(huán)境中存在的高內(nèi)阻共模干擾將進入輸入端，那么輸出端的共模干擾將較大，以致使驗證差動放大器特性的實驗難以進行。由于實驗中所用信號源都為低輸出電阻信號源，所以輸入端接上510電阻后幾乎不影響實驗電路接收來自信號源的信號，而高內(nèi)阻共模干擾因?qū)嶒炿娐份斎腚娮璐蟠笙陆刀旧媳痪苤斎攵送?，從而使得輸出端的共模干擾很小，實驗得以順利進行。輸入端接510電阻并不該變差動放大器的共模抑制比。去掉實驗電路中的兩個510電阻，再做實驗就會發(fā)現(xiàn)，實驗電路輸出端的共模干擾明顯增加。（3） 歸納差動放大器的特點與性能，并于共射放大器比較。電路對稱抑制零點漂移；對差模信號有放大作用；對共模信號有抑制作用；輸入阻抗較高；共模抑制比高；一般用來放大微小信號