差动放大电路输出波形的实验测试方法

　摘 要： 差动放大电路是《模拟电子技术基础》课程中的教学重点，由于电路存在多个输入/输出模式而造成了理论学习上的困难，而差功放大电路的直接耦合特性，更是成为大学生在实验课堂上测试单端输出电路中差模与共模输出波形的困惑。这里以Multisim软件仿真的形式，详细介绍差放电路在双端与单端输出模式下差模输出与共模输出信号的具体测试方法，在单端输出时首先测试在零输入情况下输出端的直流成分，然后在输入端加载差模输入与共模输入信号并分别测试总的输出，最后在总的输出中减去零输入情况下的直流输出分量，得到净差模输出与共模输出信号，进而计算得到电路的差模与共模电压放大倍数。该方法弥补了国内主流教材上均没有对此部分内容明确阐述的实际，可作为大学生在差放电路实验中的教学参考，同时也有助于加深对课堂理论教学的理解。 
　　关键词： 差动放大电路； 输出波形测试； Multisim； 实验仿真 
　　中图分类号： TN722?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）12?0132?03 
　　0 引 言 
　　差动放大电路利用电路结构与元器件参数完全对称性的特点，能有效地抑制零点漂移，理论上只对有用的差模输入信号放大，极大地提高了直接耦合放大电路抵抗环境噪声干扰的能力，因此作为直接耦合多级放大电路的输入级，广泛应用于模拟集成运放中。然而，作为模拟电子线路的重要单元内容，差动放大电路一直是大学生学习《模拟电子技术基础》课程的一个难点，表现为电路形式多样、理论分析复杂、以及实验测试困难。在电路形式上，根据输入/输出方式的不同，差放电路一般分为双入双出、双入单出、单入双出、单入单出四种典型电路。正如大多数教材的编写，将单端输入看作双端输入的一个特例（其中一端输入信号恰好为零），可将差放电路仅仅根据输出模式的不同简单划分为双（单）入双出、双（单）入单出两种。在具体的理论分析中，同基本放大电路一样也分为静态工作点测试与动态特性分析两步，分别采用直流通路与交流通路分析，而动态特性分析中针对共模信号和差模信号的具体分析方法又有不同。 
　　由于差动放大电路的输入信号通常是微弱信号，在输出端与负载（或下级电路）之间采取了直接耦合模式，没有电容等隔直措施，因此负载上获得的电压信号是差放电路输出的全部电压，既包含放大后的差模小信号，也包含相对较大的直流成分。对于双端输出模式，两个三极管集电极输出的直流电压互相抵消，但在单端输出模式下，如何在输出端从整体电压信号中测试比例很小的有用差模信号，目前主流教材中均没有明确介绍，查阅参考文献，也没有对单端输出模式下怎样具体测试输出差模与共模信号的相关报道[1?8]。为此，本文以Multisim软件仿真实验形式[9]，对《模拟电子技术基础》的这部分内容进行了补充分析。 
　　1 双端输出差放电路动态参数测试 
　　1.1 差模信号测试 
　　电路如图1所示。 
　　采用双通道示波器测试，A通道接两个三极管的基极B1和B2双端输入端口，B通道接集电极C1和C2双端输出端口，测试波形如图2所示。 
　　由图2可知，输出波形与输入反相，利用示波器T1时刻测试结果计算有： 
　　[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 共模信号测试 
　　将两个输入信号源电压有效值都改为13 mV共模输入，示波器A通道接基极B1与地单端输入端口，B通道接集电极C1与C2双端输出端口，测试波形如图3所示。 
　　由图3可知，输入为标准正弦波，而输出为弱噪声信号，利用示波器T1时刻测试结果计算： 
　　[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] 
　　由上述测试分析可知，在双端输出时，由于电路左右结构参数完全对称，C1和C2两点之间仅仅输出差模信号，对共模信号与电路的直流偏置信号几乎完全抑制。 
　　2 单端输出差放电路动态参数测试 
　　2.1 差模信号测试 
　　将电路改为C1点对地单端输出，左右两端输入电压的有效值分别为16 mV和10 mV，示波器通道A接基极B1与B2双端输入端口，B通道接C1与地单端输出端口，测试差模输出波形如图4所示。 
　　将电路改为C2点对地单端输出，输入信号不变，示波器通道A仍然接B1与B2双端输入端口，B通道接C2与地单端输出端口，测试差模输出波形如下： 
　　由图4、图5可知，C1（C2）点对地输出波形与输入反（同）相，且都包含有很大的直流分量，导致输出波形整体上移很多，这是因为单端输出时没有隔直措施，输出信号中既包含放大的交流分量，也包含很大的直流偏置分量。国内《模拟电子技术基础》主流教材中，对此部分内容的介绍均采用了基本放大电路中类似的方法，首先分析三极管集电极的静态直流偏置电压，然后利用交流通路分析动态指标（包括差模与共模输出信号），进而计算差模与共模电压放大倍数。而在单端输出下如何合理测试差模与共模输出电压，所有教材中都没有具体介绍，在各个大学的《模拟电子技术基础》公共视频或PPT多媒体教学中也没有发现有明确讲解，导致在实验课堂上学生测试到图4和图5波形时产生疑惑。 
　　为此把左、右两输入端直接接地，然后单独测试单端输出的集电极静态工作点电压。C1点对地静态工作点电压测试如图6所示。 
　　由图可见，无交流信号输入时，C1点对地输出的静态工作点电压为1.432 V，对C2点测试同样得到1.432 V。 
　　分别利用图4、图5的T1时刻测试结果，并结合图7，计算差模电压放大倍数： 
　　2.2 共模信号测试 
　　将两个输入信号源电压有效值都改为13 mV输入，A通道接B1点对地端口，B通道接C1点对地端口，测试C1点对地单端输出的共模信号如图8所示。 
　　由图8并结合图7，射极耦合的差动放大电路单端输出（C1对地）时，共模放大倍数为：
　　[Ac1=Uoc1Uic=1.427-1.43218×10-3≈-0.3] 
　　同样方法可测算得到[Ac2≈0.3]。 
　　对于射极耦合差动放大电路，双端输出时，共模输出与直流输出（本质上直流信号也为共模信号）几乎为零；而单端输出时有比较小的共模信号与很大的直流信号。 
　　3 结 语 
　　本文利用Multisim软件，以仿真实验的形式，介绍了《模拟电子技术基础》课程中差动放大电路动态输出波形的具体测试方法。由于差放电路采用了直接耦合，输出端与负载（或下级电路）之间没有隔直措施，单端输出时既包含放大的交流信号，也包含很大的直流成分，因此在输出波形测试中首先需要在输入端对地短接的情况下测试输出的直流成分，然后分别在输入端加载差模输入与共模输入信号，最后在总的输出波形中减去直流分量，得到差模输出与共模输出信号，进而计算得到电路的差模与共模放大倍数。 
　　参考文献 
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　　[8] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社，2009. 
　　[9] 尹均萍，李玉长.Multisim 10在差分放大电路教学中的应用[J].电气电子教学学报，2011，33（6）：112?114.