电子电路实做实验(差分放大器)

电子电路开放实验讲义 （差分放大器） 1. 实验目的 （1）熟悉差分放大器的工程估算，掌握差分放大器静态工作点的调整与测试方法。 （2）加深理解差分放大器的性能特点。 （3）掌握差分放大器性能指标的测试方法。 2. 实验仪及器材 （1）双踪示波器 （2）双路直流稳压电源 （3）函数信号发生器 （4）数字万用表 3. 实验电路图 图1-1 差分放大器 如图1-1，当开关K2打向“恒阻”时，实验电路为长尾式差分放大器；当开关K2打向“恒管”时，实验电路为具有恒流源的差分放大器。 4. 知识准备 （1）复习差分放大器的相关理论知识。 （2）根据理论知识对实验电路的静态工作点、电压放大倍数等性能指标进行工程估算。 5. 实验原理 （1）基本原理 差分放大器是一种特殊的直接耦合放大器，它能有效的抑制零点漂移；它的基本性能是放大差模信号、抑制共模信号；常用共模抑制比来表征差分放大器对共模信号的抑制能力；稳流电阻的增加可以提高共模抑制比；但稳流电阻不能太大，因此采用恒流源取代稳流电阻，从而进一步的提高共模抑制比。 差分放大器要求电路两边的元器件完全对称，即两管型号相同、特性相同及各对应电阻值相等。但实际中总是存在元器件不匹配的情况，从而产生失调漂移。为了消除失调漂移，实验电路采用了发射极调零电路来调节电路的对称性；同时由于调零电路引入了负反馈，所以电路得以以牺牲增益为代价获得了线性范围的扩展。 差分放大器的有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出、单端输入双端输出四种连接方式；实验电路采用单端输入单端输出的连接方式。 （2）静态工作点的调整 实验电路通过调节电位器Rp使两个三极管的集电极电压相等来调节电路的对称性，完成电路的调零。 （3）静态工作点的测量 静态工作点的测量就是测出三极管各电极对地直流电压VBQ、VEQ、VCQ，从而计算得到VCEQ和VBEQ。而测量直流电流时，通常采用间接测量法测量，即通过直流电压来换算得到直流电流。这样即可以避免更动电路，同时操作也简单。 （4）电压放大倍数的测量 差分放大器有差模和共模两种工作模式，因此电压放大倍数有差模电压放大倍数和共模电压放大倍数两种。 在差模工作模式下，差模输出端Uod1是反相输出端，Uod2是同相输出端，则差模电压放大倍数为： 在共模工作模式下，共模输出端Uoc1、Uoc2均为反相输出端，则共模电压放大倍数为： 电路的共模抑制比KCMR为： 或  （5）输入电阻的测量 差分放大器差模输入电阻Ri远小于测量仪表的内阻，所以测试采用图1-2所示的测试方法。 在信号源和电路的输入端之间串接一个电阻R，将微小的输入电流Ii转换成电压进行测量；在输出波形不失真的情况下输入信号Ui，测量出Us及Ui，则输入电阻为： 图1-3 输出电阻测量原理图 图1-2 输入电阻测量原理图 可以证明，只有在 时测量误差最小；同电阻R的准确度直接影响测量的准确度，电阻R不宜取得过大，否则易引入干扰；也不宜取得过小，否则易引起较大的测量误差。因此，电阻R应选择精密的电阻，同时选取R和Ri一个数量级，且R≈Ri，以减小测量误差。 （6）输出电阻的测量 差分放大器差模单端输出的输出电阻Ro的测量采用图1-3所示的测试方法。 开关K打开时测出Uo，开关K闭合时测出UoL，测输出电阻为： 可以证明，只有在 时测量误差最小；同时电阻RL的准确度直接影响测量的准确度，因此电阻RL应选择精密的电阻，同时选取RL和Ro一个数量级，且RL≈Ro，以减小测量误差。 （7）差模传输特性的测量 差模传输特性是指差分放大器在差模信号输入时，输出电流Ic随输入电压Uid的变化规律。由于在电路确定以后，输出电流-Ic1（-Ic2）的变化规律与Uc1（Uc2）的变化规律完全相同，而且测量电压比测量电流要方便，所以可以用示波器来测量差模传输特性曲线；差分放大器的差模单端输出特性曲线如图1-4所示，差模双端输出特性曲线如图1-5所示。 图1-4 差模单端输出直流传输特性曲线 图1-5 差模双端输出交流传输特性曲线 6. 实验内容及步骤 （1）电路搭接 按图1-1正确搭接电路；注意三极管的管脚、电位器的正确接法。 （2）调测直流工作点 ① 将直流稳压电源的每路输出均调至6V，正确接入实验电路（注意正、负电源的接法）。 ② 将K1闭合，使实验电路零输入；分别在K2置于“恒阻”和“恒管”位置的情况下，调整电位器Rp使三极管VT1和VT2的集电极电压相等；测量三极管的VBQ、VEQ、VCQ；将测试值记录于表1-1中，计算相关数据。 表1-1  测试静态工作点 测试条件 电路形式 三极管 测试数据 计算数据 VBQ(V) VCQ(V) VEQ(V) VBEQ(V) VCEQ(V) ICQ(mA) VCQ1=VCQ2 恒阻 VT1             VT2             恒管 VT1             VT2                               ③ 测试差模电压放大倍数 将K1打开，使电路处于差模输入状态；输入正弦信号（f =1KHz、Ui=50mv），在输出波形不失真的情况下，测量K2置于“恒阻”和“恒管”两种位置时的输出电压Uod1的Uod2，将测试值记录于表1-2中，计算相关数据；观察并记录输入信号Ui与输出信号Uod1、Uod2之间的相位关系，绘制相应波形。 ④ 测试共模电压放大倍数 将K1闭合，使电路处于共模输入状态；输入正弦信号（f =1KHz、Ui=300mv），在输出波形不失真的情况下，测量K2置于“恒阻”和“恒管”两种位置时的输出电压Uoc1的Uoc2，将测试值记录于表1-3中，计算相关数据；观察并记录输入信号Ui与输出信号Uoc1、Uoc2的相位关系，绘制相应波形。 表1-2  测试差模电压放大倍数 测试条件 电路形式 测试数据 计算数据 f(KHz) Ui(mV) Uod1(mV) Uod2(mV) Aud1 Aud2 Aud VCQ1=VCQ2 恒阻               恒管                                 表1-3  测试共模电压放大倍数 测试条件 电路形式 测试数据 计算数据 f(KHz) Ui(mV) Uoc1(mV) Uoc2(mV) Auc1 Auc2 Auc KCMR VCQ1=VCQ2 恒阻                 恒管                                     ⑤ 测试差模输入电阻 将K1打开，K2置于“恒阻”位置；在信号源Us和输入端Ui之间串接一个R=20KΩ的电阻；输入正弦信号（f =1KHz、Ui=50mv），在输出波形不失真的情况下，测量信号源电压US ，将测试值记录于表1-4中，计算输入电阻Ri；完成测试后恢复电路。 表1-4  测试差模输入电阻 测试条件 电路形式 测试数据 计算数据 R(KΩ) f(KHz) Ui(mV) Us(mV) Ri(KΩ) VCQ1=VCQ2 恒阻                         ⑥ 测试差模单端输出的输出电阻 将K1打开，K2置于“恒阻”位置；输入正弦信号（f =1KHz、Ui=50mv），在输出波形不失真的情况下，测量空载（RL不接入即原电路形式）时的输出电压Uo及有载（将RL =2KΩ并接在VT1三极管的集电极与电路地之间）时的输出电压UoL，将测试值记录于表1-5中；计算输出电阻Ro；完成测试后恢复电路。 表1-5  测试差模单端输出的输出电阻 测试条件 电路形式 测试数据 计算数据 RL(KΩ) f(KHz) Ui(mV) Uo(mV) Ro(KΩ) VCQ1=VCQ2 恒阻                             ⑦ 测试差模传输特性 将K1打开，使电路处于差模输入状态；输入正弦信号（f = 1KHz），并逐渐增大输入信号幅度，使输出进入限幅区，此时用示波器的“X-Y” 工作模式（注意：输入信号接X通道，输出信号接Y通道），观察输入信号与输出信号的相对关系，即可观察到完整的传输特性曲线；从曲线上测试静态工作点VCQ (采用直流耦合方式)、线性范围(采用交流耦合方式)、差模电压增益(采用交流耦合方式)等性能指标，并与前测数据进行比较；观察差模工作模式下差分放大电路的线性工作区、非线性工作区和限幅区；观察并记录差模传输特性曲线。 7. 实验报告要求 （1）整理实验数据，填入相关表格；绘制相应波形及差模传输特性曲线。 （2）将测试数据与估算值相比较，分析误差产生的原因。 （3）对比“恒阻”和“恒管”的测试数据，能得出什么结论？ （4）差分放大器的特点。 8. 思考与分析 （1）电阻器Rp在实验电路中起什么作用？ （2）为什么单端输入的差分放大器的另一端还要接入一个与信号源内阻数值一样大小的电阻？ （3）怎样调节示波器才能测出差模传输特性曲线？ （3）如何从差模传输特性曲线上测出相关性能指标？