基于差分对管的差分放大电路设计

苏 利，冯文超 (武汉大学电子信息学院，湖北 武汉 430079)

基于差分对管的差分放大电路设计

苏 利，冯文超 (武汉大学电子信息学院，湖北 武汉 430079)

在电路实验教学中使用的差分放大电路可以利用差分对管来实现。详细阐述用差分对管实现的差分放大电路各参数的设计过程。电路安装调试结果表明，该电路的共模性能得到很大提高，应用到实验教学中效果良好。

实验教学；差分放大；差分对管

模拟电路实验是电子信息类专业的重要专业基础实验课程之一，其中差分放大器实验是模拟电路实验中必须完成但又比较难做的实验，目前主要做法是在完成单级放大器的基础上，采用单管配对的方法完成电路设计，但人工单管配对比较困难，造成差分放大器不对称，各种技术指标难以达到，大大增加了实验的非技术性难度[1]。为此，笔者利用差分对管进行了差分放大电路的设计。

1 差分对管概述

图1 差分对管引脚和内部电路图

差分对管也称孪生对管，是2只性能参数相同的三极管封装在一起构成的电子器件，能以最简单的方式构成性能优良的差分放大器，一般用在音频放大器或仪器、仪表中做差分输入放大管[2]。常用的差分对管有2SA798、2SC1583和2SA979。笔者在实验中采用NPN型差分对管2SC1583，其引脚和内部电路如图1(a)、(b)所示，图1(a)中的I01～I05分别对应于图1(b)中的①～⑤。

图2 双端输入单端输出差分放大电路的电路图

2SC1583差分对管相关参数如下[3]：反向击穿电压VCE0为50V；耗散功率PCM为200mW(T=25℃)；三极管对比值hFE1/hFE2为0.98；|VBE1-VBE2|=1mV；电流传输系数hFE为250～800。

2 电路设计

目前常用的实验电路是具有恒流源的差分放大电路，其中双端输入单端输出差分放大电路的电路图如图2所示。从图2可以看出，该电路要自主配对4个三极管，很难达到该电路对对称性的要求，从而难以达到电路的相应技术指标(如共模指标等)。

图2中连接Q1、Q2三极管发射极的电位器R1用于调节电路对称，用1个差分对管代替Q1、Q2后可以取消该电位器。Q3、Q4构成比例电流源电路，如果β即hFE足够大且R8=R9时，有IE3≈IE4，则Q3、Q4的2个发射极e端可以直接相连，在2个发射极连接端接同1个电阻R8即可(见图3)，这样Q3、Q4也可以用差分对管代替。使用差分对管后的改进电路如图4所示。

图3 比例电流源电路图

利用差分对管来设计具有恒流源的双端输入单端输出差分放大器，相关技术指标为Avdgt;15、Ridgt;20kΩ、KCMR≧50dB、RL=10kΩ。具体设计步骤如下：

1)选用一对NPN型差分对管2SC1583，测得其β值分别为β1=625，β2=585，β2/β1=0.936，两者近似相同。

2)计算由差分对管构成的差分放大器电路中相关参数。

由于该电路是双端输入电路，则差模输入电阻：

Rid=2(R6+rbe)

图4 使用差分对管的差分放大器电路图

根据指标条件Ridgt;20kΩ，有：

2(R6+rbe)gt;20kΩ

即：

R6+rbegt;10kΩ

取R6=R7=2kΩ,则rbegt;8kΩ,得：

从而：

I0lt;4.32mA (β=β1=625)

取静态电流I0=IR=4mA，即IC1=IC2=I0/2=2mA，则：

由单端输出指标Avdgt;15,得：

对于恒流源电路，有：

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

则：

取R8=2kΩ，则R≈0.83kΩ，为方便调整I0，R由1.5kΩ电阻R10和1kΩ电位器R11串联组成。具体试验过程如下：

1)按照图4连接好电路，其中Vi1和Vi2接地，接通直流电源，用万用表测量差分对管各管脚电压，得到各极静态电压值如表1所示。

表1 改进电路各差分对管电压(单位:V)

由表1可知，三极管处在放大区，静态工作点分别是：

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

各晶体管工作在放大状态，且静态工作电流I0(4.05mA)与设计的值略等，上述设计值为4mA。

2)将信号源输入信号Vi1(50mV和1kHz)接入到Vi1，Vi2仍接地，利用示波器观察集电极输出电压VC1的值为2.1V，则差模单端输出增益Avd=VC1/Vi1=42。

3)将信号源输入信号Vi1、Vi2(均为500mV和1kHz)同时接入Vi1和Vi2，利用示波器观察集电极输出电压VC1值为20mV，测出单端输出共模增益Avc=VC1/Vi1=0.04。

图5 输入电阻测量图

单端输出共模抑制比：

KCMR=20lg|Avd/Avc|=60.4

4)输入电阻测量图如图5所示[5]。按图5连接电路，将正弦波电压信号接入Vi1(有效值100mV，频率1kHz)，调节电器R至Vi2=1/2Vi1，则Rid=R，最后测得Rid≈25kΩ。

用示波器观察传输特性曲线，发现其对称性很好，表明电路达到了设计要求。

3 结 语

在差分放大电路设计实验中，用差分对管取代三极管进行放大电路的设计。试验结果表明，电路安装调试很顺利，其结果很容易重现。该设计的优势包括如下几点：①减少了一个电位器，差分对管的连接比原来4个三极管的连接更简单，使电路更简洁；②电路对称性大大提高，实验效果更佳，特别容易达到共模指标；③可以从差分对管中选出1个管代替单只三极管完成单级放大电路的实验，把差分和单级放大电路2个实验的器件合二为一，节约了实验经费。因此，该设计可以在实验教学中推广使用。

[1]沈伟慈.模拟电路实验教学的改革实践[J].电气电子教学学报,2005，27(2):83-84.

[2]张坤，张子才，陈义.模拟电路实验教学的改革探索[J].实验室科学,2008(1):59-60.

[3]赵柏树.差分放大器的理论与实验教学研究[J].高师理科学刊,2006, 26(1)：89-91.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.07.029

TN722

A

1673-1409(2011)07-0081-03

2011-05-25

苏利，女，硕士，讲师，现主要从事电子线路方面的教学与研究工作。