基于差分對管的差分放大電路設計

蘇 利，馮文超 (武漢大學電子信息學院，湖北 武漢 430079)

基于差分對管的差分放大電路設計

蘇 利，馮文超 (武漢大學電子信息學院，湖北 武漢 430079)

在電路實驗教學中使用的差分放大電路可以利用差分對管來實現。詳細闡述用差分對管實現的差分放大電路各參數的設計過程。電路安裝調試結果表明，該電路的共模性能得到很大提高，應用到實驗教學中效果良好。

實驗教學；差分放大；差分對管

模擬電路實驗是電子信息類專業的重要專業基礎實驗課程之一，其中差分放大器實驗是模擬電路實驗中必須完成但又比較難做的實驗，目前主要做法是在完成單級放大器的基礎上，采用單管配對的方法完成電路設計，但人工單管配對比較困難，造成差分放大器不對稱，各種技術指標難以達到，大大增加了實驗的非技術性難度[1]。為此，筆者利用差分對管進行了差分放大電路的設計。

1 差分對管概述

圖1 差分對管引腳和內部電路圖

差分對管也稱孿生對管，是2只性能參數相同的三極管封裝在一起構成的電子器件，能以最簡單的方式構成性能優良的差分放大器，一般用在音頻放大器或儀器、儀表中做差分輸入放大管[2]。常用的差分對管有2SA798、2SC1583和2SA979。筆者在實驗中采用NPN型差分對管2SC1583，其引腳和內部電路如圖1(a)、(b)所示，圖1(a)中的I01～I05分別對應于圖1(b)中的①～⑤。

圖2 雙端輸入單端輸出差分放大電路的電路圖

2SC1583差分對管相關參數如下[3]：反向擊穿電壓VCE0為50V；耗散功率PCM為200mW(T=25℃)；三極管對比值hFE1/hFE2為0.98；|VBE1-VBE2|=1mV；電流傳輸系數hFE為250～800。

2 電路設計

目前常用的實驗電路是具有恒流源的差分放大電路，其中雙端輸入單端輸出差分放大電路的電路圖如圖2所示。從圖2可以看出，該電路要自主配對4個三極管，很難達到該電路對對稱性的要求，從而難以達到電路的相應技術指標(如共模指標等)。

圖2中連接Q1、Q2三極管發射極的電位器R1用于調節電路對稱，用1個差分對管代替Q1、Q2后可以取消該電位器。Q3、Q4構成比例電流源電路，如果β即hFE足夠大且R8=R9時，有IE3≈IE4，則Q3、Q4的2個發射極e端可以直接相連，在2個發射極連接端接同1個電阻R8即可(見圖3)，這樣Q3、Q4也可以用差分對管代替。使用差分對管后的改進電路如圖4所示。

圖3 比例電流源電路圖

利用差分對管來設計具有恒流源的雙端輸入單端輸出差分放大器，相關技術指標為Avdgt;15、Ridgt;20kΩ、KCMR≧50dB、RL=10kΩ。具體設計步驟如下：

1)選用一對NPN型差分對管2SC1583，測得其β值分別為β1=625，β2=585，β2/β1=0.936，兩者近似相同。

2)計算由差分對管構成的差分放大器電路中相關參數。

由于該電路是雙端輸入電路，則差模輸入電阻：

Rid=2(R6+rbe)

圖4 使用差分對管的差分放大器電路圖

根據指標條件Ridgt;20kΩ，有：

2(R6+rbe)gt;20kΩ

即：

R6+rbegt;10kΩ

取R6=R7=2kΩ,則rbegt;8kΩ,得：

從而：

I0lt;4.32mA (β=β1=625)

取靜態電流I0=IR=4mA，即IC1=IC2=I0/2=2mA，則：

由單端輸出指標Avdgt;15,得：

對于恒流源電路，有：

IR=I0=|-VEE|-0.7V/(R+R8)

則：

取R8=2kΩ，則R≈0.83kΩ，為方便調整I0，R由1.5kΩ電阻R10和1kΩ電位器R11串聯組成。具體試驗過程如下：

1)按照圖4連接好電路，其中Vi1和Vi2接地，接通直流電源，用萬用表測量差分對管各管腳電壓，得到各極靜態電壓值如表1所示。

表1 改進電路各差分對管電壓(單位:V)

由表1可知，三極管處在放大區，靜態工作點分別是：

VRC=VCC-CC1Q=12-8.96=3.04VI0=2VRC/R2=4.05mA

VCE1=VC1Q-VE1Q=8.96-(-0.62)=9.58V

VCE2=VC2Q-VE2Q=9.55VVCE3=VC3Q-VE3Q=2.8V

各晶體管工作在放大狀態，且靜態工作電流I0(4.05mA)與設計的值略等，上述設計值為4mA。

2)將信號源輸入信號Vi1(50mV和1kHz)接入到Vi1，Vi2仍接地，利用示波器觀察集電極輸出電壓VC1的值為2.1V，則差模單端輸出增益Avd=VC1/Vi1=42。

3)將信號源輸入信號Vi1、Vi2(均為500mV和1kHz)同時接入Vi1和Vi2，利用示波器觀察集電極輸出電壓VC1值為20mV，測出單端輸出共模增益Avc=VC1/Vi1=0.04。

圖5 輸入電阻測量圖

單端輸出共模抑制比：

KCMR=20lg|Avd/Avc|=60.4

4)輸入電阻測量圖如圖5所示[5]。按圖5連接電路，將正弦波電壓信號接入Vi1(有效值100mV，頻率1kHz)，調節電器R至Vi2=1/2Vi1，則Rid=R，最后測得Rid≈25kΩ。

用示波器觀察傳輸特性曲線，發現其對稱性很好，表明電路達到了設計要求。

3 結 語

在差分放大電路設計實驗中，用差分對管取代三極管進行放大電路的設計。試驗結果表明，電路安裝調試很順利，其結果很容易重現。該設計的優勢包括如下幾點：①減少了一個電位器，差分對管的連接比原來4個三極管的連接更簡單，使電路更簡潔；②電路對稱性大大提高，實驗效果更佳，特別容易達到共模指標；③可以從差分對管中選出1個管代替單只三極管完成單級放大電路的實驗，把差分和單級放大電路2個實驗的器件合二為一，節約了實驗經費。因此，該設計可以在實驗教學中推廣使用。

[1]沈偉慈.模擬電路實驗教學的改革實踐[J].電氣電子教學學報,2005，27(2):83-84.

[2]張坤，張子才，陳義.模擬電路實驗教學的改革探索[J].實驗室科學,2008(1):59-60.

[3]趙柏樹.差分放大器的理論與實驗教學研究[J].高師理科學刊,2006, 26(1)：89-91.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.07.029

TN722

A

1673-1409(2011)07-0081-03

2011-05-25

蘇利，女，碩士，講師，現主要從事電子線路方面的教學與研究工作。