创新实验项目报告书实验名称三极管差分放大器日期2012-3-9姓名专业电子信息工程一、 实验目的（详细指明输入输出）1、 深入研究三极管差分放大器的原理2、 差分输入电压Vid^100mV；3、 要求放大电路增益\20dB；4、 3dB 带宽 10Hz~1MHz；5、 尽可能提高共模拟制比（KCMR）二、 实验原理（详细写出理论计算、理论电路分析过程）图1-1差分放大器实验原理图差分放大器是基本放大电路之一，由于它具有抑制零点漂移的优异性能，因 此得到广泛的应用，并成为集成电路中重要的基本单元电路，常作为集成运算放 大器的输入级典型的差分放大器电路如图1所示即使在不对称的情况下，它也能较好地 放大差模信号，而对共模信号的放大能力则很差，从而抑制了零点漂移这一电 路的特点，是在发射极串联了一个电阻Re通常Re取值较大，由于分占了稳压电源较大的电压，使两管的静态工作点处于不合理的位置，因此引进辅助电源E (一般取E = —E),以抵消R上的直流压降，并为基极提供适当的偏置如E E C e图3-1所示，当输入差模信号时，T管的i增加，T管的i减小，增减的量相1 cl 2 c2等，因此两管的电流通过Re的信号分量相等但方向相反，他们相互抵消，所以 Re可视为短路，这时图1中的差分放大器就变成了没有Re的基本差分放大器电路， 它对差模信号具有一定的放大能力。
对于共模信号，两管的共模电流在Re上的方向是相同的，在取值较大的Re 上产生较大的反馈电压，深度的负反馈把放大倍数压得很低，因此抑制了零点漂 移从上述可知，对差分放大器来说，其放大的信号分为两种：一种是差模信号， 这是需要放大的有用的信号，这种信号在放大器的双端输入时呈现大小相等，极 性相反的特性；另一种是共模信号，这是要尽量抑制其放大作用的信号1、差模电压放大倍数对于差模信号，由于Uid1 = —Uid2,故射极电阻Re上的电流相互抵消，其压 降保持不变，即AUe = 0，可得到差模输入时的交流等效电路，如图2所示，由 于电路对称，每个半边与单管共射极放大器完全一样双端输入——双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为：id(1)2U -PR A od 1 — c— — .^a 2Uid 1 "be ”可见Aud与单管共射极放大器的电压放大倍数Au相同考虑负载R后，双端输入L双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为:A' — A ud u(2)R + r b be式中 R' — R H-RL c 2 L双端输入一一单端输出差分放大器的差模电压放大倍数为:(3)U U pRA ———od— — od1 — — c ud1 U d 2Uidi 2( Rb + rbe)2、共模电压放大倍数当输入共模信号时，R上的压降为AU=2AIR，在画等效电路时把两管拆开， e E E e流过射极电路的电流为AIe，为了保持电压AUe不变，应把每管的发射极电阻Re 增加一倍。
当从两管的集电极输出时，如果电路完全对称，则输出电压Uoc= Uocioc2Auc叮=Uoc1— Uoc2 = 0oc 2(4)U Uic ic-U = 0，因此双端输出时的共模电压放大倍数Auc为:如果采用双端输入一一单端输出的方式，则共模电压放大倍数为:A uc1= OC1 =U c Rb1 + rbe + (1 + P)2 Re(5)(6)通常P >> 1，2pRe >> Rb1 + rbe，故上式可简化为:Auc1 〜_2IR~e从上述讨论可知，共模电压放大倍数越小，对共模信号的抑制作用就越强， 放大器的性能就越好在电路完全对称的条件下，双端输出的差分放大器对共模 信号没有放大能力，完全抑制了零点漂移实际上，电路不可能完全对称，Auc并不为零，但由于Re的负反馈作用，对共模信号的抑制能力还是很强的在Re 取值足够大的情况下，即使是单端输出，也能把Auci压得很低如果电路不对称，则（4）式不为零，所以双端输入——双端输出时的Auc应写成:A = A -Auc uc1 uc2（7）3、共模抑制比共模抑制比指差分放大器的差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即:CMRR =A ―ud（8）Auc共模抑制比说明了差分放大器对共模信号的抑制能力，其值越大，则抑制能 力越强，放大器的性能越好。
对于单端输出电路，由（3）式与（6）式，可以得到共模抑制比:CMRR =A ―ud1A uc1PR e（9）上式表明，提高共模抑制比的主要途径是增加Re的阻值但当工作电流给定 后，加大Re势必要提高|Ec|为了在不用提高电源电压的情况下，能够显著地增大Re，可用品体管构成的恒流源来代替Re三、实验步骤（记录实验流程，提炼关键步骤）a） 确定元件型号，查找相关资料，设计最初的设计原理图b） 在仿真软件上进行仿真c） 进行硬件仿真d） 按照电路原理图焊接电路板e） 对电路板进行调试，并进行改进四、实验结果（详细列出实验数据、protel实际电路图和结论分析）根据如上所示的原理分析我们自己设计了电路并进行实际仿真软件的仿真 如图3-2所示:图3-2 仿真原理图在未接入信号的时候，只加电源，调节滑动变阻器的阻值，使得两个三极管 静态工作点达到相同并满足三极管工作在放大区的条件1.1差模信号的仿真实验按照实验步骤在两输入端输入频率f = 1MHz，Uidi = -Uid2 = 1mV的差模信 号，观察到的波形图如图3-3所示：ClMimei 8 Cliannel 0Cliannal C=I 图3-3差模信号的输入和输出波形在这里，我们明显的观察到输入信号和输出信号是反相的关系，放大倍数约 为100倍。
1.2共模信号的分析图3-5共模时输入与输出波形图当输入频率f = 1000Hz，U.c = 100mV的共模信号时，波形如图3-5所示：可见，此时输出信号是0，共模电压放大倍数为0仿真结果与我们预期要验证的差分放大器结果近似相符合，满足了放大差模 信号，抑制共模信号，共模抑制比为无穷大的特点1.3实际实验结果与分析根据之前的理论分析，我们焊接好实物并亲手进行了实验根据要求，测 出了静态工作点，如表1-1所示：Vb1Vb2Vc1Vc2Ve-0.084-0.0746.446.41-0.756表1-1静态工作点当输入是差模信号时，测得输入与输出电压值如表1-2所示：ViVi1Vi2VoVo1Vo20.1v50mv-50mv4.0v2.02v2,03v表1-2差模实验数据当输入是共模信号的时候，测得数据如表1-3所示:V1Vi1Vi2VoVo1Vo20.1v0.1v0.1v35mv41.8mv42.0mv表1-3共模实验数据经过测试，电路工作正常，并能达到预定的精度五、问题总结（实验中遇到的已解决和未解决的问题）差分放大器能够放大差模信号并抑制共模信号实验步骤较多，能够自己调试出 来两三极管的静态工作点，输出随着输入信号的加入方式不同或者信号幅度不同 而变化，输出波形较好。