作者：ADI公司 Doug Mercer，顧問(wèn)研究員；Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

　　目標(biāo)

　　本次實(shí)驗(yàn)旨在研究使用增強(qiáng)模式NMOS晶體管的簡(jiǎn)單差分放大器。

　　2021年6月學(xué)子專區(qū)文章中提出的關(guān)于硬件限制問(wèn)題的說(shuō)明對(duì)本次實(shí)驗(yàn)也是有效的。通過(guò)提高信號(hào)電平，然后在波形發(fā)生器輸出和電路輸入之間放置衰減器和濾波器（參見(jiàn)圖1），可以改善信噪比。本次實(shí)驗(yàn)需要如下材料：

• 　　兩個(gè)100 Ω電阻
• 　　兩個(gè)1 kΩ電阻
• 　　兩個(gè)0.1 μF電容（標(biāo)記為104）

　　圖1.11:1衰減器/濾波器

　　本次實(shí)驗(yàn)的所有部分都會(huì)使用該衰減器和濾波器。

　　材料

• 　　ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
• 　　無(wú)焊面包板
• 　　跳線
• 　　兩個(gè)10 kΩ電阻
• 　　一個(gè)15 kΩ電阻（將10 kΩ和4.7 kΩ電阻串聯(lián)）
• 　　兩個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（CD4007或ZVN2110A）

　　說(shuō)明

　　實(shí)驗(yàn)室硬件的連接如圖2所示。M1和M2應(yīng)從可用的且Vth匹配最佳的器件中選擇。M1和M2的源極與R3的一端共享一個(gè)連接。R3的另一端連接到Vn （-5V），提供尾電流。M1的基極連接到第一個(gè)任意波形發(fā)生器的輸出，M2的基極連接到第二個(gè)任意波形發(fā)生器的輸出。兩個(gè)集電極負(fù)載電阻R1和R2分別連接在M1和M2的集電極與正電源Vp （+5 V）之間。差分示波器輸入2+/2-用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)10 kΩ負(fù)載電阻上的差分輸出。

　　圖2.帶尾電阻的NMOS差分對(duì)

　　圖3.NMOS差分對(duì)面包板

　　硬件設(shè)置

　　第一個(gè)波形發(fā)生器配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V。第二個(gè)波形發(fā)生器也應(yīng)配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V，但相位為180°。示波器的通道1應(yīng)與1+連接到第一個(gè)波形發(fā)生器W1的輸出，與1-連接到W2的輸出。通道2應(yīng)連接到標(biāo)注2+和2-處，并設(shè)置為每格1 V。

　　程序步驟

　　獲取如下數(shù)據(jù)：x軸是任意波形發(fā)生器的輸出，y軸是使用2+和2-輸入的示波器通道2。通過(guò)改變R3的值，同學(xué)們可以探索尾電流電平對(duì)電路增益的影響（觀察通過(guò)原點(diǎn)的直線的斜率）和對(duì)線性輸入范圍的影響，以及當(dāng)電路飽和時(shí)，觀察增益非線性下降的形狀。

　　圖4.NMOS差分對(duì)XY圖

　　電流源用作尾電流

　　使用簡(jiǎn)單電阻作為尾電流具有局限性。同學(xué)們可以探索構(gòu)建電流源來(lái)偏置差分對(duì)的方法。這可以由幾個(gè)額外的晶體管和電阻構(gòu)成，如之前的ADALM2000實(shí)驗(yàn)“穩(wěn)定電流源”所示。

　　附加材料

• 　　兩個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M3和M4采用CD4007或ZVN2110A）

　　圖5.帶尾電流源的差分對(duì)

　　硬件設(shè)置

　　第一個(gè)波形發(fā)生器配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V。第二個(gè)波形發(fā)生器也應(yīng)配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V，但相位為180°。電阻分壓器將Q1和Q2的基極處的信號(hào)幅度降低到略小于200 mV。示波器的通道1應(yīng)與1+連接到第一個(gè)波形發(fā)生器W1的輸出，與1-連接到W2的輸出。通道2應(yīng)連接到標(biāo)注2+和2-的位置，并設(shè)置為每格1 V。

　　圖6.帶尾電流源的差分對(duì)面包板電路

　　程序步驟

　　配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。XY圖示例如圖7所示。

　　圖7.帶尾電流源的差分對(duì)XY圖

　　測(cè)量共模增益

　　共模抑制（CMR）是差分放大器的一個(gè)關(guān)鍵方面。CMR可以通過(guò)將兩個(gè)晶體管M1和M2的基極連接到同一輸入源來(lái)測(cè)量。圖10顯示了當(dāng)W1的共模電壓從+3 V掃描至-3 V時(shí)，電阻偏置差分對(duì)和電流源偏置差分對(duì)的差分輸出。當(dāng)柵極上的正電壓接近漏極電壓，晶體管從飽和區(qū)進(jìn)入三極管（阻性）區(qū)域時(shí)，增益受到的影響最大。這可以通過(guò)觀察相對(duì)于地為單端（即將2-輸入接地）的漏極電壓來(lái)監(jiān)測(cè)。應(yīng)調(diào)整發(fā)生器的幅度，直到輸出端信號(hào)就要開(kāi)始削波/折疊。

　　圖8.測(cè)量共模增益

　　硬件設(shè)置

　　波形發(fā)生器配置為100 Hz正弦波，峰峰值幅度為6 V，偏移為0 V。示波器的通道1應(yīng)與1+連接到第一個(gè)波形發(fā)生器W1的輸出，與1-連接到地。通道2應(yīng)連接到標(biāo)注2+和2-的位置，并設(shè)置為每格1 V。

　　圖9.共模增益面包板電路

　　程序步驟

　　配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。使用LTspice?的波形示例如圖10所示。

　　圖10.共模增益波形

　　問(wèn)題：

• 　　如果將晶體管M1的基極視為輸入，圖8中的晶體管放大器對(duì)于輸出2+和2-而言是反相還是同相？解釋您的答案。
• 　　說(shuō)明當(dāng)輸入電壓（W1）增大或減小時(shí)，每個(gè)輸出電壓（2+和2-）會(huì)發(fā)生什么。

　　您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問(wèn)題答案。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院（RPI），獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。

　　Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。