差動放大電路輸出波形的實驗測試方法

韓躍平等

摘 要： 差動放大電路是《模擬電子技術基礎》課程中的教學重點，由于電路存在多個輸入/輸出模式而造成了理論學習上的困難，而差功放大電路的直接耦合特性，更是成為大學生在實驗課堂上測試單端輸出電路中差模與共模輸出波形的困惑。這里以Multisim軟件仿真的形式，詳細介紹差放電路在雙端與單端輸出模式下差模輸出與共模輸出信號的具體測試方法，在單端輸出時首先測試在零輸入情況下輸出端的直流成分，然后在輸入端加載差模輸入與共模輸入信號并分別測試總的輸出，最后在總的輸出中減去零輸入情況下的直流輸出分量，得到凈差模輸出與共模輸出信號，進而計算得到電路的差模與共模電壓放大倍數。該方法彌補了國內主流教材上均沒有對此部分內容明確闡述的實際，可作為大學生在差放電路實驗中的教學參考，同時也有助于加深對課堂理論教學的理解。

關鍵詞： 差動放大電路； 輸出波形測試； Multisim； 實驗仿真

中圖分類號： TN722?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0132?03

0 引 言

差動放大電路利用電路結構與元器件參數完全對稱性的特點，能有效地抑制零點漂移，理論上只對有用的差模輸入信號放大，極大地提高了直接耦合放大電路抵抗環境噪聲干擾的能力，因此作為直接耦合多級放大電路的輸入級，廣泛應用于模擬集成運放中。然而，作為模擬電子線路的重要單元內容，差動放大電路一直是大學生學習《模擬電子技術基礎》課程的一個難點，表現為電路形式多樣、理論分析復雜、以及實驗測試困難。在電路形式上，根據輸入/輸出方式的不同，差放電路一般分為雙入雙出、雙入單出、單入雙出、單入單出四種典型電路。正如大多數教材的編寫，將單端輸入看作雙端輸入的一個特例（其中一端輸入信號恰好為零），可將差放電路僅僅根據輸出模式的不同簡單劃分為雙（單）入雙出、雙（單）入單出兩種。在具體的理論分析中，同基本放大電路一樣也分為靜態工作點測試與動態特性分析兩步，分別采用直流通路與交流通路分析，而動態特性分析中針對共模信號和差模信號的具體分析方法又有不同。

由于差動放大電路的輸入信號通常是微弱信號，在輸出端與負載（或下級電路）之間采取了直接耦合模式，沒有電容等隔直措施，因此負載上獲得的電壓信號是差放電路輸出的全部電壓，既包含放大后的差模小信號，也包含相對較大的直流成分。對于雙端輸出模式，兩個三極管集電極輸出的直流電壓互相抵消，但在單端輸出模式下，如何在輸出端從整體電壓信號中測試比例很小的有用差模信號，目前主流教材中均沒有明確介紹，查閱參考文獻，也沒有對單端輸出模式下怎樣具體測試輸出差模與共模信號的相關報道[1?8]。為此，本文以Multisim軟件仿真實驗形式[9]，對《模擬電子技術基礎》的這部分內容進行了補充分析。

1 雙端輸出差放電路動態參數測試

1.1 差模信號測試

電路如圖1所示。

采用雙通道示波器測試，A通道接兩個三極管的基極B1和B2雙端輸入端口，B通道接集電極C1和C2雙端輸出端口，測試波形如圖2所示。

由圖2可知，輸出波形與輸入反相，利用示波器T1時刻測試結果計算有：

[Ad=通道B代表的差模出Uod通道A代表的差模入2Uid=-0.673 10.008 5≈-79]

1.2 共模信號測試

將兩個輸入信號源電壓有效值都改為13 mV共模輸入，示波器A通道接基極B1與地單端輸入端口，B通道接集電極C1與C2雙端輸出端口，測試波形如圖3所示。

由圖3可知，輸入為標準正弦波，而輸出為弱噪聲信號，利用示波器T1時刻測試結果計算：

[Ac=通道B代表的共模出Uoc通道A代表的共模入Uic=959×10-1218×10-3≈0]

由上述測試分析可知，在雙端輸出時，由于電路左右結構參數完全對稱，C1和C2兩點之間僅僅輸出差模信號，對共模信號與電路的直流偏置信號幾乎完全抑制。

2 單端輸出差放電路動態參數測試

2.1 差模信號測試

將電路改為C1點對地單端輸出，左右兩端輸入電壓的有效值分別為16 mV和10 mV，示波器通道A接基極B1與B2雙端輸入端口，B通道接C1與地單端輸出端口，測試差模輸出波形如圖4所示。

將電路改為C2點對地單端輸出，輸入信號不變，示波器通道A仍然接B1與B2雙端輸入端口，B通道接C2與地單端輸出端口，測試差模輸出波形如下：

由圖4、圖5可知，C1（C2）點對地輸出波形與輸入反（同）相，且都包含有很大的直流分量，導致輸出波形整體上移很多，這是因為單端輸出時沒有隔直措施，輸出信號中既包含放大的交流分量，也包含很大的直流偏置分量。國內《模擬電子技術基礎》主流教材中，對此部分內容的介紹均采用了基本放大電路中類似的方法，首先分析三極管集電極的靜態直流偏置電壓，然后利用交流通路分析動態指標（包括差模與共模輸出信號），進而計算差模與共模電壓放大倍數。而在單端輸出下如何合理測試差模與共模輸出電壓，所有教材中都沒有具體介紹，在各個大學的《模擬電子技術基礎》公共視頻或PPT多媒體教學中也沒有發現有明確講解，導致在實驗課堂上學生測試到圖4和圖5波形時產生疑惑。

為此把左、右兩輸入端直接接地，然后單獨測試單端輸出的集電極靜態工作點電壓。C1點對地靜態工作點電壓測試如圖6所示。

由圖可見，無交流信號輸入時，C1點對地輸出的靜態工作點電壓為1.432 V，對C2點測試同樣得到1.432 V。

分別利用圖4、圖5的T1時刻測試結果，并結合圖7，計算差模電壓放大倍數：

2.2 共模信號測試

將兩個輸入信號源電壓有效值都改為13 mV輸入，A通道接B1點對地端口，B通道接C1點對地端口，測試C1點對地單端輸出的共模信號如圖8所示。

由圖8并結合圖7，射極耦合的差動放大電路單端輸出（C1對地）時，共模放大倍數為：

[Ac1=Uoc1Uic=1.427-1.43218×10-3≈-0.3]

同樣方法可測算得到[Ac2≈0.3]。

對于射極耦合差動放大電路，雙端輸出時，共模輸出與直流輸出（本質上直流信號也為共模信號）幾乎為零；而單端輸出時有比較小的共模信號與很大的直流信號。

3 結 語

本文利用Multisim軟件，以仿真實驗的形式，介紹了《模擬電子技術基礎》課程中差動放大電路動態輸出波形的具體測試方法。由于差放電路采用了直接耦合，輸出端與負載（或下級電路）之間沒有隔直措施，單端輸出時既包含放大的交流信號，也包含很大的直流成分，因此在輸出波形測試中首先需要在輸入端對地短接的情況下測試輸出的直流成分，然后分別在輸入端加載差模輸入與共模輸入信號，最后在總的輸出波形中減去直流分量，得到差模輸出與共模輸出信號，進而計算得到電路的差模與共模放大倍數。

參考文獻

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[8] 楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2009.

[9] 尹均萍，李玉長.Multisim 10在差分放大電路教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2011，33（6）：112?114.