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使用增強模式NMOS晶體管的簡單差分放大器

發布時間：2021-09-01 來源：Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus 責任編輯：wenwei

【導讀】本次實驗旨在研究使用增強模式NMOS晶體管的簡單差分放大器。2021年6月學子專區文章中(zhong)提(ti)出(chu)的(de)關(guan)於(yu)硬(ying)件(jian)限(xian)製(zhi)問(wen)題(ti)的(de)說(shuo)明(ming)對(dui)本(ben)次(ci)實(shi)驗(yan)也(ye)是(shi)有(you)效(xiao)的(de)。通(tong)過(guo)提(ti)高(gao)信(xin)號(hao)電(dian)平(ping)，然(ran)後(hou)在(zai)波(bo)形(xing)發(fa)生(sheng)器(qi)輸(shu)出(chu)和(he)電(dian)路(lu)輸(shu)入(ru)之(zhi)間(jian)放(fang)置(zhi)衰(shuai)減(jian)器(qi)和(he)濾(lv)波(bo)器(qi)（參見圖1），可以改善信噪比。本次實驗需要如下材料：

● 兩個100 Ω電阻

● 兩個1 kΩ電阻

● 兩個0.1 μF電容（標記為104）

圖1.11:1衰減器/濾波器

本次實驗的所有部分都會使用該衰減器和濾波器。

材料

● ADALM2000 主動學習模塊

● 無焊麵包板

● 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）

● 兩個小信號NMOS晶體管（CD4007或ZVN2110A）

說明

實驗室硬件的連接如圖2所示。M1和M2應從可用的且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生器的輸出，M2的基極連接到第二個任意波形發生器的輸出。兩個集電極負載電阻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-用於測量兩個10 kΩ負載電阻上的差分輸出。

圖2.帶尾電阻的NMOS差分對

圖3.NMOS差分對麵包板

硬件設置

第一個波形發生器配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V。第二個波形發生器也應配置為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應與1+連接到第一個波形發生器W1的輸出，與1-連接到W2的輸出。通道2應連接到標注2+和2-處，並設置為每格1 V。

程序步驟

獲取如下數據：x軸是任意波形發生器的輸出，y軸是使用2+和2-輸入的示波器通道2。通過改變R3的值，同學們可以探索尾電流電平對電路增益的影響（觀察通過原點的直線的斜率）和對線性輸入範圍的影響，以及當電路飽和時，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。同學們可以探索構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成，如之前的ADALM2000實驗"穩定電流源"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

硬件設置

第一個波形發生器配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V。第二個波形發生器也應配置為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於200 mV。示波器的通道1應與1+連接到第一個波形發生器W1的輸出，與1-連接到W2的輸出。通道2應連接到標注2+和2-的位置，並設置為每格1 V。

圖6.帶尾電流源的差分對麵包板電路

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

共模抑製(CMR)是差分放大器的一個關鍵方麵。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。當柵極上的正電壓接近漏極電壓，晶體管從飽和區進入三極管（阻性）區域時，增益受到的影響最大。這可以通過觀察相對於地為單端（即將2-輸入接地）的漏極電壓來監測。應調整發生器的幅度，直到輸出端信號就要開始削波/折疊。

圖8.測量共模增益

硬件設置

波形發生器配置為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應與1+連接到第一個波形發生器W1的輸出，與1-連接到地。通道2應連接到標注2+和2-的位置，並設置為每格1 V。

圖9.共模增益麵包板電路

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於輸出2+和2-而言是反相還是同相？解釋您的答案。

說明當輸入電壓(W1)增大或減小時，每個輸出電壓（2+和2-）會發生什麼。

您可以在學子專區博客上找到問題答案。

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