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)于硬件限制問題的說明對本次實(shí)驗(yàn)也是有效的。通過提高信號電平，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（參見圖1），可以改善信噪比。本次實(shí)驗(yàn)需要如下材料：

　　·兩個100 Ω電阻

　　·兩個1 kΩ電阻

　　·兩個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)的所有部分都會使用該衰減器和濾波器。

　　材料

　　·ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

　　·無焊面包板

　　·跳線

　　·兩個10 kΩ電阻

　　·一個15 kΩ電阻（將10 kΩ和4.7 kΩ電阻串聯(lián)）

　　·兩個小信號NMOS晶體管（CD4007或ZVN2110A）

　　說明

　　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任意波形發(fā)生器的輸出，M2的基極連接到第二個任意波形發(fā)生器的輸出。兩個集電極負(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-用于測量兩個10 kΩ負(fù)載電阻上的差分輸出。

　　圖2.帶尾電阻的NMOS差分對

　　圖3.NMOS差分對面包板

　　硬件設(shè)置

　　第一個波形發(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。通過改變R3的值，同學(xué)們可以探索尾電流電平對電路增益的影響（觀察通過原點(diǎn)的直線的斜率）和對線性輸入范圍的影響，以及當(dāng)電路飽和時，觀察增益非線性下降的形狀。

　　圖4.NMOS差分對XY圖

　　電流源用作尾電流

　　使用簡單電阻作為尾電流具有局限性。同學(xué)們可以探索構(gòu)建電流源來偏置差分對的方法。這可以由幾個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

　　·兩個小信號NMOS晶體管（M3和M4采用CD4007或ZVN2110A）

　　圖5.帶尾電流源的差分對

　　硬件設(shè)置

　　第一個波形發(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面包板電路

　　程序步驟

　　配置示波器以捕獲所測量的兩個信號的多個周期。XY圖示例如圖7所示。

　　圖7.帶尾電流源的差分對XY圖

　　測量共模增益

　　共模抑制（CMR）是差分放大器的一個關(guān)鍵方面。CMR可以通過將兩個晶體管M1和M2的基極連接到同一輸入源來測量。圖10顯示了當(dāng)W1的共模電壓從+3 V掃描至-3 V時，電阻偏置差分對和電流源偏置差分對的差分輸出。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，增益受到的影響最大。這可以通過觀察相對于地為單端（即將2-輸入接地）的漏極電壓來監(jiān)測。應(yīng)調(diào)整發(fā)生器的幅度，直到輸出端信號就要開始削波/折疊。

　　圖8.測量共模增益

　　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量的兩個信號的多個周期。使用LTspice?的波形示例如圖10所示。

　　圖10.共模增益波形

　　問題：

　　·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于輸出2+和2-而言是反相還是同相？解釋您的答案。

　　·說明當(dāng)輸入電壓（W1）增大或減小時，每個輸出電壓（2+和2-）會發(fā)生什么。

　　您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問題答案。

　　作者簡介

　　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，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，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

　　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，同時為Circuits from the Lab、QA自動化和流程管理開發(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。