带你一起从实验中学习电路——差分放大器

差分放大器是一类处理两个信号之间的差异而不是绝对值的放大器。差分放大器（也称为差分放大器或运算放大器减法器）是一种电子放大器，可放大两个输入电压之间的差异，但抑制两个输入共有的任何电压。差分放大器是一种具有两个输入和一个输出的模拟电路，其中输出理想地与两个电压之间的差成正比。在集成电路中，差分放大器通常用于去除两个源共有的不需要的信号。不想要的共模信号的例子是电源电压随时间的变化和集成电路的衬底电压的变化。通过处理两个信号之间的差异，同时抑制两个输入共有的信号，差分放大器在 IC 设计中发挥着重要作用

在本实验中，我们将研究 NPN 双极差分增益级的特性，如图1所示。实验室从设置获得正确直流偏置所需的程序开始差分对的工作点。设置偏置条件后，我们使用CA3046 构建带有电阻负载的 BJT 差分放大器，以检查偏移、差模增益、共模增益和 CMRR 测量以及高频特性。 NPN 电流吸收器是为 BJT 差分放大器偏置电流构建的

做实验前计算DC直流偏置

从datasheet中可以看出，CA3046 中的 NPN 晶体管应该具有中档电流 beta β=103.6（100 是一个很好的近似值），饱和电流，发射系数n_F=1.4，厄利电压（正向有源操作模式）V_A=72V。您可以使用这些值来计算。

假设 CA3046 在正向激活时具有 0.7V 的基极到发射极压降并且还假设β无限大。由于我们需要使 Vi1 = Vi2 = 0 和 Vo1 = Vo2 = 2.5V，因此应有 2.5mA 的电流流过 R1 和 R2；因此，泰勒电流或 I_BIAS 为 5mA。我们计算了所有 DC 偏差，并指定了如图 2 所示的用软件模拟的结果。

我们再来研究带阻性负载的 BJT 差分放大器的DM 增益测量。我们从 Hspice 导出数据并在 Excel 上绘制结果。在图4 中，蓝色曲线代表给定输入为 0.2V pk-pk、10kHZ 的单端输出电压摆幅；红色曲线是给定相同输入信号的差分输出信号。

我们从 Hspice 中提取数据并将它们绘制在 Excel 上。由于在 Hspice 上，我们只能有单端模式的电压增益，或vo1/vin 和 vo2/vin，如果我们将这两个电压增益相减，我们可以得到：vo1/vin - vo2/vin = (vo1 - vo2 ) / vin。因此，我们使用 (vo1 - vo2) 作为输出，使用 vin 作为输入，并在 Excel 中绘制增益响应，如图 5 所示。

注意，在图 5 中，-3dB 频率约为 700kHz，单位增益频率约为 2Meg Hz。

实验第一部分：带阻性负载的 BJT差分放大器 - 偏移测量

  第一部分有两个主要构建块：一个差分放大器和一个由 n 型晶体管对构成的电流吸收器。我们通过构建电流接收器来启动面包板上的电路。一旦我们确保当电流吸收器处于活动正向时 I_BIAS 为 5mA，我们就会继续构建差分放大器。图 6显示了带有电阻负载的 BJT 差分放大器的实际电路配置，其中所有晶体管都处于正向激活状态。

  我们将 R5 和 R6 分别调整为 4.981kΩ和 5.109kΩ，以获得 V₀₁ - V₀₂= 55mV。特别是V₀₁和V₀₂都非常接近2.5V。再测量 Q1 和 Q2 的基极电压为 V_B1 = 24mV 和 V_B2 = -17mV。因此输入offset电压 V_OS = V_B1- V_B2 = 41mV

实验第二部分：带阻性负载的 BJT差分放大器– DM 增益测量

  差分放大器具有较大的电压增益，输出信号有 180度相位差。理论上，差分放大器的增益是单端差分放大器的两倍。搭建出图7所示的电路。

  输入正弦波 Vin 在 10KHz 时具有 2V 的峰峰值电压。我们用示波器分别测量了 Vo1 和 Vo2 的两个单端输出。波形记录在图 8 中。如图8 所示，Vo1 信号 (CH1) 与 Vo2 (CH2) 的相位相差 180 度。

  如果我们将 CH2 中的信号反相，并在示波器上使用 MATH 运算将 CH1 和 CH2 相加，则我们得到如图 9 所示的结果。

   由于两个信号的相位相差 180 度，因此将两个信号相加并反转一个信号将使峰峰值电压加倍。因此，峰峰值电压 Vpk-diff = 7.84V。

为了测量单端输出电压增益，我们使用 CH2来测量 Vo1。对于输入信号测量，即 vi1– vi2，由于 vi2 为 0，则 vi1 – vi2 = vi1。所以我们用CH1来测量vi1。如图 10 所示，vi1 – vi2 = 36.8mV pk-pk (CH1)，单端输出电压 vout = 3.76 pk-pk (CH2)。

我们将单端电压增益评估为，

A_dm-se = v₀₁ / (v_i1 - v_i2) = 3.76V/36.8mV= 102 V/V.

接下来，我们将 Vin 的幅度增加到 3.4mV pk-pk (CH1)，输出开始被削波 (CH2)。在此输入下，输出 pk-pk 电压为 4.72V。

所以第二部分总结来说，就如图9所示，差分配置的电压摆幅为7.84V。差分输入信号 vi1-vi2 是图8中CH1上的读数，为36. 8mV。因此，我们将差模电压增益评估为

         A_dm-diff = (v₀₁- v₀₂)/ (v_i1 - v_i2) = 7.84V / 36.8mV = 213 V/V.

正如理论所述，差分输出差模增益是单端差模增益的两倍。

关于第三部分和第四部分，带阻性负载的BJT差分放大器–CM增益和CMRR测量和高频率下的特性，我们将会在下期文章中继续展示实验结果。