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1、高等理科教育 教育教学研究专辑从差分放大器设计实验中的传输特性测量引发的思考X石振华 王锦华摘 要 本文从学生做差分放大器实验设计调试中出现的传输特性曲线类似于磁滞回线的现象出发,分析了产生这种现象的原因。并针对实验教学改革提出几点看法。关键词 差分放大器实验 传输特性 磁滞回线 思考 一、引言差分放大器是电子线路教学中一类很重要的放大器,它是线性集成运算放大器的基础,它具有很多优良的性能,如输入失调电流小,输出阻抗低,输入阻抗
2、高,开环增益高,共模抑制比高等要想让学生彻底掌握这个电路的设计,光靠书本和课堂上的理论教学是不行的,必须辅以扎实的实验手段才能实现。图1是一个具有恒流源的差分放大器的电路图,学生要通过对这个电路参数进行设计、安装、调试以及指标的测试,最后再来验证自己所设计的电路参数的正确性。需要测量的参数有传输特性,差模特性和共模特性等。图1 有恒流源的差分放大器 二、传输特性出现类似磁滞回线状的现象传输特性是指差分放大器在差摸信号输入下,集电极电流ic或集电极电压vc随输入电压vid的变化规律。图2是差分放大器在输入
3、频率为1kHz正弦波时单端输入和单端输出的传输特性测试结果,图中x方向为输入的差模电压,y方向为集电极输出电压,测试电路接线图如图3所示:从图2示波器的刻度可以看出,当输入的差模电压为±1vQ-Q时,输出幅度是线性改变的,当信号发生器送出的差模电压vid在±2vQ-Q时,放大器进入到了非线性区,若再增大信号发生器的输出X石振华 王锦华 武汉大学电子信息学院204©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.高等理科教育
4、 从差分放大器设计实验中的传输特性测量引发的思考图2 差分放大器的传输特性 图3 传输特性测试接线图幅度,曲线的延长线几乎都是平行于横坐标的直线,这说明放大器进入到饱和区和截止区,这些都是很基本的,很规范的结果,教科书上也有较明确的解释。但有一部分同学做到这一步还不满足,他们想知道若将频率再改变,又会出现什么现象呢?基于此他们又将信号发生器的频率从1KHz调高,当调到50KHz时,此时的特性曲线出现如图4所示的曲线,这些曲线有点像电磁学中出现过的磁滞回线。遇到这些
5、问题后,学生们解释不清,跑来问老师,这是什么原因引起的。图4 频率升高时差分放大器的传输特性实际上,我们在这里讨论的问题是两个相互垂直的,同频率的正弦波的合成。这里我们将输入信号加到了示波器的X偏转板上,输出信号加到示波器的Y偏转板上(注意图3的接法)为简单起见,设它们的位移方程为:x=A1cos(Xt+W1)(1)y=A2cos(Xt+W2)(2)式中X为测试信号的工作频率,A1,A2,W1,W2为输入和输出(同相端)信号的幅度和初相位,若[2]把参量t消去,则可得到它的直角坐标方程为.22xyxy2+
6、2-2cos(W2-W1)=sin(W2-W1)(3)A1A1A1A2一般来说,上述方程是一个椭圆方程,椭圆轨道不会超过以2A1和2A2为边的矩形范围。当A1和A2的大小给出后(本实验中A1由输入信号的大小也可由示波器X通道的衰减器位置来决定)A2由输出信号来决定,也可由示波器Y通道的衰减开关来决定。椭圆的性质,即长轴和短轴的大小和方位由相位差W2-W1来决定。下面分析几种特殊情况:①W2-W1=0时,(对应于差分放大器的同相端)方程(3)变为2xy-=0(4)A1A2205©1995-2005Tsing
7、huaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.高等理科教育 教育教学研究专辑A2亦即 y=x(5)A1此方程代表一条直线,对应于图2中的线性部分。②W2-W1=P时,对应于差分放大器的反相输出端,其方程也是一条直线。PW2-W1=时,方程(3)变为222xy2+2=1(6)A1A2这是典型的椭圆方程③在W2-W1为不同值时,可以得到不同的椭圆图形。图5示意了在线性区域中不同相位差时
8、传输特性的不同图像。图5 线性区域内不同相位差的传输特性进入非线性区和限幅区域后,由于波形的严重失真,其中二次,三次及高次谐波分量的出现,输入和输出之间的相位关系更为复杂,这里就不再进行分析。3.产生相位超前或滞后的原因在高频段,由于分布电容的作用明显变大,特别是用面包板作实验电路板的情况尤为明显。有一些同学在80kHz以后才出现磁滞回线,而有一些同学则在100kHz以后才出现,这说明他们安装电路的分布电容不一样,这种现象的等
