《三极管差动放大器》实验报告

创新实验项目报告书

实验名称三极管差动放大器日期2012年3月10日姓名专业自动化，通信工程一、实验目的

设计三极管差动放大器，要求如下：

1、差分输入电压Vid≤100mV；

2、要求放大电路增益≥20dB；

3、3dB带宽10Hz~1MHz；

4、尽可能提高共模拟制比(KCMR)。

二、实验原理

图1 差动放大器原理图

差动放大器的工作原理

1、Tr1、Tr2发射极电流的和为定值

如图1所示，假设Tr1、Tr2完全相同，当没有输入信号时，各自的发射极电流Ie1、Ie2相同，且均为恒流源Tr3的发射极电流的一半。当在输入1加电压时，Ie1增加ΔIe ，由于Ie1+Ie2被恒流源Tr3控制，故Ie2减小ΔIe ，即Ie1与Ie2具有相同的变化量，只是增减方向不同。 2、对输入信号的差进行放大

该电路的输出是以集电极电流（=发射极电流）的变化量、以集电极电阻上的压降取出的。

ΔIe 是由Tr1与Tr2的Vbe 的差值决定的，当两个输入信号相同时，Tr1与Tr2的Vbe 相同，两者之差为零，因而没有输出。

当两个输入信号不同时，Ie1与Ie2的变化量大小相等、方向相反，因而Vo1与Vo2是振幅相同、相位相反的信号。

故差动放大器电路仅对两个输入信号的差进行放大,不放大相同的输入信号，因而可以起到抑制温漂的作用。 3、差动放大器的增益

差动放大器的输入有单端输入、双端输入两种形式，输出也有单端输出、双端输出两种形式。

双端输出的增益为：

单端输出的的增益为：

即单端输出增益为双端输出的一半。

可见差动放大器的增益与单管共射放大的增益相同，增加了一只管子并没有增大增益，但很好地抑制了温漂。 三、实验过程 1、差动放大器的设计 (1)、确定电源电压

差分输入电压Vid ≤100mV ，放大电路增益≥20dB ，即10倍，因为实际增益总小于理论计算值，故将理论计算的增益定位20倍，最大输出电压为100mV ×20=2V 。

差动放大器的电源电压要比最大输出电压加上作为恒流源工作的Tr3的发射极电阻Re3上的压降的值还要大。

E

C

V R R A =

E

C V R R A 2=

如令Re3的压降为2V,电源电压在4V 以上即可。

为了使Tr1、Tr2的基极电压为0V ，去掉输入侧的耦合电容，使电路简单化，故采用±5V 的双电源。 (2)、确定Tr1、Tr2的工作点

Tr1、Tr2的集电极电流一般为0.1至数毫安。在这里设为1mA ，则恒流源Tr3的发射极电流设定在2mA 。令Re3上的压降为2V,电流流过2mA ，所以

(3)、恒流源的设计 为了使Re3上的压降为2V,设Vbe 为0.6V ，则R2上的压降为2.6V ，所以R1

上的压降为7.4V 。

为了使Tr3上的基极电流可以忽略，则在R1、R2上流过的电流有必要比基极电流大10倍以上。如果设β=100，则Tr3的基极电流为

所以流过R1、R2的电流为0.2mA 。

(4)、确定Rc1、Rc2、Re1、Re2

由于Tr1、Tr2基极电位被Rb1、Rb2偏置在0V ，因此，Ve1=Ve2=-0.6V 。 如将Rc1、Rc2的压降设定在Ve1(Ve2)与正电源的中点附近，就能获得最大输出电压，即Rc1、Rc2的压降为2.2V 。由于集电极电流设定在1mA ，所以

增益设定为20倍，所以

可令，Rc1=Rc2=2k Ω，Re1=Re2=51Ω。 (5)、确定Rb1、Rb2

Rb1、Rb2决定了输出电阻，也有将Tr1、Tr2的基极电位偏置在0V 的作用。取Rb1=Rb2=10k Ω即可。

＝１ｋΩ

２ｍＡ

２Ｖ

=

3e R mA 02.0100

mA

23==

B I Ω

Ω

k 13mA 2.0V 6.2k 36mA 2.0V

4.721====

R R Ωk 2.2mA

1V

2.211==

+e c R R 2021

1

==

e c V R R A

(6)、确定C1、C2

C1、C2起到隔直的作用，可取C1=C2=10μF。

(7)、确定三极管的型号

S9018的参数符合要求，且频率特性较好，故三只管子都用S9018。为了很好地抑制温漂，Tr1、Tr2的参数应严格一致，电阻规格也应严格一致。

表1 S9018的特性

项目符号规格单位集电极-基极间电压

V25 V

CBO

集电极-发射极间电压

V18 V

CEO

基极-发射极间电压

V 4 V

EBO

集电极电流Ic 150 mA

综上，设计的差动放大器电路图如下：

图2 差动放大器电路图

表2 差动放大器元件清单

元件名称位号型号规格数量电阻R1 36kΩ 1

电阻R2 13kΩ 1

电阻Rb1、Rb2 10kΩ 2

电阻Rc1、Rc2 2kΩ 2

电阻Re1、Re2 51Ω 2

电阻Re3 1kΩ 1 电解电容C1、C2 10μF 2

三极管Tr1、Tr2、Tr3 S9018 3

2、差动放大器的仿真结果

仿真软件Multisim元件库中没有S9018这种型号的三极管，故用2SC1815代替。

图3 差动放大器仿真电路图截图

(1)、增益的仿真结果

输入信号截图：

频率：1kHz 幅值：50mV 输出波形截图：

V o1、V o2幅值相同、相位相反。

幅值大于500mV，增益大于10倍，即20dB，满足要求。

(2)、频率响应的仿真结果

波特仪显示结果截图：

高频特性：上限截止频率约为13.822MHz。

低频特性：1Hz时增益与中频带相同。

3dB带宽为1Hz~13.822MHz。

3、按照电路原理图焊接电路板

图4 差动放大器实物图

4、对电路板进行调试，并进行改进

用万用表测试，没有发现短路、断路、虚焊等现象。

接入±5V双电源，测得Tr1、Tr2、Tr3的Vbe均为0.6V左右，无异常现象。

输入1kHz、50mVpp的正弦波信号，中频带电压增益已远远超过20dB，下限截止频率达7Hz，然而上限截止频率只有600kHz。原因应该是恒流源的电流取的过小，导致高频放大倍数过小。

改进：现将恒流源的电流增至4mA，即Rc1、Rc2、Re1、Re2、Re3缩小一倍，在这些电阻两端并联一相同与其规格的电阻即可，Re1、Re2并联后阻值较小，直接将其短路，这样以后，理论增益值将接近β。

四、实验结果

输入信号一端接Tr1的基极，一端接Tr2的基极，即输入差模信号。

输入信号幅值：36mV

f(Hz)124101k200k300k1M 1.3M Vo(V)0.6960.91211110.9840.80.712 Av(dB)25.7 28.1 28.9 28.9 28.9 28.9 28.7 26.9 25.9 可见，中频带增益大于20dB,3dB带宽为1Hz~1.3MHz。

当Tr1、Tr2的基极短接，输入信号一端接Tr1的基极，一端接地，即输入共模信号,改变输入信号的幅值,输出信号很小，跟输入差模信号的输出信号相比可以忽略。可见,设计的差动放大器的共模抑制比较高。

五、实验总结

1、实验过程中遇到的问题

在帮同学调试时，发现输出波形几乎为脉冲波，正弦波底部失真很严重，应该是静态工作点过低的原因，可能是某一个或几个电阻阻值不是很恰当。但实际用的电阻与理论计算值相差并不大，而且同学确信电阻没有选错。因而也就排除了这方面原因，可能是三极管或电容选的规格不合适，但换三极管、换电容都没有解决问题，决定重焊一个电路。在测电阻时发现标的 1.2kΩ的电阻测量值竟为62kΩ,真没想到会犯这种错误。从中我跟同学都汲取了教训，在焊电路前务必要测试每一个元件的好坏及规格，才能避免可能出现的错误。

2、小结与体会

这次试验从搜集资料到得到实验结果花费了半天时间,焊电路及调试结果用了一个小时,大部分时间花在了熟悉原理、设计电路上，可见，做好充分的准备、确定设计思路及所用元件及其参数、而不是急于焊电路才是做好一个电路的关键。