《電子技術(shù)應(yīng)用》
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差分放大器的非線性應(yīng)用
2016年微型機(jī)與應(yīng)用第15期
龐艷杰1,,胡國英2,,曹艷麗1
(1. 北京工業(yè)大學(xué)耿丹學(xué)院 信息工程系,,北京 101301,; 2.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191)
摘要: 通常差分放大器在交流小信號的輸入條件下,,可利用其線性特性實(shí)現(xiàn)信號放大,。該文闡述了如何利用差分放大器的非線性特性,實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波的波形變換,。依據(jù)二極管非線性特性的理論分析,構(gòu)造出由恒流源供電的差分放大器的電路原理圖;硬件電路測試結(jié)果驗(yàn)證了其波形變換功能,。
關(guān)鍵詞: 差分放大器 非線性 波形變換
Abstract:
Key words :

  龐艷杰1,胡國英2,,曹艷麗1

 ?。?. 北京工業(yè)大學(xué)耿丹學(xué)院 信息工程系,北京 101301,; 2.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,,北京 100191)

  摘要:通常差分放大器在交流小信號的輸入條件下,可利用其線性特性實(shí)現(xiàn)信號放大,。該文闡述了如何利用差分放大器的非線性特性,,實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波的波形變換。依據(jù)二極管非線性特性的理論分析,構(gòu)造出由恒流源供電的差分放大器的電路原理圖;硬件電路測試結(jié)果驗(yàn)證了其波形變換功能,。

  關(guān)鍵詞:差分放大器,;非線性,;波形變換

0引言

  波形變換是模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用的一個重要組成部分[12],。傳統(tǒng)的波形變換大多是從正弦波到方波再到三角波的變換, 正弦波經(jīng)過電壓比較產(chǎn)生方波,方波經(jīng)過積分電路產(chǎn)生三角波[3],。而三角波或方波變換到正弦波的產(chǎn)生方法因電路結(jié)構(gòu)需要選頻網(wǎng)絡(luò),,相對比較復(fù)雜,,且參數(shù)的選擇要十分精確,以至于在實(shí)際應(yīng)用中很少使用[4],。例如,,雖然利用555定時器可以構(gòu)造較簡單的電路來產(chǎn)生方波,但方波要再通過選頻網(wǎng)絡(luò)才能得到正弦波,,電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜[5],;再例如,傳統(tǒng)的三角波到正弦波的變換也需要選頻網(wǎng)絡(luò),,器件參數(shù)的選擇也要十分精確,,因而其電路和計(jì)算都較復(fù)雜[6]。本文提出了一種利用差分放大器的非線性實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波的波形變換電路,,該電路比傳統(tǒng)的利用選頻網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)簡單,,易于實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)提出的差分放大電路之前加一個積分器,,就可以很容易地實(shí)現(xiàn)方波到正弦波的波形變換,,具有一定的應(yīng)用價值。

1差分放大器的非線性特性理論分析及測試

  1.1理論分析

  雙極型三極管的發(fā)射結(jié),其伏安特性近似二極管伏安特性,。硅材料的二極管的輸入電壓在0.7 V以上時,呈現(xiàn)線性狀態(tài),;當(dāng)輸入電壓為0~0.6 V時,呈現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài);而在0.6 V~0.7 V左右會出現(xiàn)一個非線性的過渡階段。比如,取靜態(tài)工作點(diǎn)UBEQ=0.65 V,輸入信號是峰峰值為60 mV的三角波,利用作圖法,如圖1所示,,得到iB是正弦波,,從而輸出電壓uCE也是正弦波。由于輸入信號是交流小信號,考慮環(huán)境溫度的影響,可采用差分對管來構(gòu)成差分放大電路,來克服零點(diǎn)漂移[78],?! ?/p>

  1.2差分放大器的非線性測試

  利用晶體管測試儀測試差分對管中兩個三極管的發(fā)射結(jié)特性,如圖2所示,??梢姡?.6 V~0.7 V之間有一個過渡階段,,與理論分析一致,。

2電路原理圖和硬件電路設(shè)計(jì)

  2.1電路原理圖

  本設(shè)計(jì)電路原理圖如圖3所示[910],其中,T1、T2是差分對管,T3,、T4構(gòu)成恒流源,。RW1的作用是改善差分對管的對稱性,RW2的作用是改變電流源輸出電流,,也就是T1,、T2的發(fā)射極電流的大小,從而改變輸出電壓的大小。 

003.jpg

  2.2硬件電路設(shè)計(jì)

  本設(shè)計(jì)采用S3DG6型NPN硅平面雙三極管做為差分對管T1和T2,;T3和T4采用開關(guān)管3DK2,,電容和電阻值如圖3電路原理圖中所示。

3電路的理論分析

  3.1靜態(tài)分析

  假設(shè)RW1調(diào)至中點(diǎn)使差分對管的參數(shù)完全對稱,且RW2也調(diào)至中點(diǎn),得出理論參數(shù)如表1~表3所示,。

       注:VBBQ指差分對管T1和T2的基極靜態(tài)電位,;VBE1Q和VBE2Q指T1和T2的發(fā)射結(jié)靜態(tài)電壓;VRC1Q指R3和0.5 RW1上的總電壓值,;VRC2Q指R4和0.5 RW2上的總電壓值,;VCE1Q和VCE2Q指T1和T2集電極和發(fā)射極之間的靜態(tài)電壓。

  從電路的靜態(tài)分析可以看出,,差分對管T1和T2工作在放大狀態(tài),,比例電流源中的T3工作在放大狀態(tài),而T4則工作在飽和狀態(tài),。

     注:VB3Q和VB4Q指T3和T4管的基極靜態(tài)電位,;VC3Q和VC4Q指T3和T4管的集電極靜態(tài)電位;VE3Q和VE4Q指T3和T4管的發(fā)射極靜態(tài)電位,。

  3.2動態(tài)分析

  在單端輸入方式下,,若輸入信號逐漸增大,差分放大器將進(jìn)入非線性狀態(tài),,其差模傳輸特性曲線如圖4所示[911] ,。圖中直線部分是差分放大器的線性特性,曲線部分是非線性特性[11] ,。在接電阻RE1,、RE2時,如虛線所示,,差分放大器的線性范圍大且平坦,,但本設(shè)計(jì)要利用它的非線性,所以不接RE1,、RE2,。圖4的實(shí)線部分是不接RE1、RE2時的特性曲線,,在差模輸入的條件下,,當(dāng)輸入電壓Ui正向不斷增大,其輸出電流Ic緩慢上升并穩(wěn)定在一個固定的數(shù)值,,本設(shè)計(jì)就是利用Ui單調(diào)遞增或遞減,,Ic緩慢上升或下降這一特性,將三角波變換成正弦波,?! ?/p>

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4硬件電路測試和分析

  4.1靜態(tài)參數(shù)測試

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  圖5硬件電路測試框圖根據(jù)圖3所示的電路,,按照圖5連接硬件測試電路并分別測試靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。其中,調(diào)節(jié)RW1使對管參數(shù)左右對稱,調(diào)節(jié)RW2至中點(diǎn)位置,。

  表4和表5為T1和T2管的靜態(tài)實(shí)際測量值,可以看出,,差分對管T1和T2工作在放大狀態(tài),;表6為T3和T4管的靜態(tài)測量值,可以看出,,恒流源中的T3工作在放大狀態(tài),,而T4則工作在飽和狀態(tài),符合理論分析的靜態(tài)值,。

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  4.2靜態(tài)參數(shù)測量誤差

  利用誤差計(jì)算公式:測量誤差=|(測量值-估算值)/估算值|×100%,,計(jì)算得到主要參數(shù)的測量誤差,如表7和表8所示,。

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  分析產(chǎn)生誤差的原因,,主要有以下三點(diǎn):

  (1)差分放大器的對稱性不理想。實(shí)際生產(chǎn)的差分對管在出廠時,,參數(shù)并不是完全對稱,,有微小誤差。

  (2)環(huán)境誤差,。環(huán)境溫度的改變會引起三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動的變化,,當(dāng)環(huán)境溫度升高,三極管的β值將變大,,電流增大的結(jié)果使得溫升更高,,形成惡性循環(huán),從而影響電壓,。

  (3)儀器誤差,。儀器本身電氣或機(jī)械等性能不完善產(chǎn)生的誤差[12]。本實(shí)驗(yàn)采用的是一般精度的信號源和示波器,,測量儀器的精度直接影響測量結(jié)果,。

  4.3電路功能測試

  利用示波器的XY工作方式,X通道接輸入電壓,,Y通道接輸出電壓,,可測得差分放大器的差模傳輸特性曲線;利用示波器的雙通道工作方式,,可觀測到輸入和輸出波形,。

  4.3.1接入RE1、RE2電阻時的測量結(jié)果

  當(dāng)輸入三角波的峰峰值電壓為±4 V~±5 V時,,若T1的集電極接輸出信號的負(fù)端,,T2的集電極接輸出信號的正端,,輸出的正弦波的峰峰值電壓恒定為±0.8 V,此時,,差模傳輸特性曲線是單調(diào)遞增的,。

  當(dāng)輸入信號不變,若T1的集電極接輸出信號的正端,,T2的集電極接輸出信號的負(fù)端,,輸出的正弦波的峰峰值電壓恒定為±0.6 V,此時,,差模傳輸特性曲線是單調(diào)遞減的,。

  4.3.2不接入RE1、RE2電阻時的測量結(jié)果

  當(dāng)輸入三角波的峰峰值電壓為±2.5 V~±2.8 V時,,若T1的集電極接輸出信號的正端,,T2的集電極接輸出信號的負(fù)端,輸出的正弦波的峰峰值電壓恒定為±0.6 V,,此時,,差模傳輸特性曲線是單調(diào)遞減的。

  當(dāng)輸入不變,,若T1的集電極接輸出信號的負(fù)端,,T2的集電極接輸出信號的正端,輸出的正弦波的峰峰值電壓恒定為±0.8 V,,差模傳輸特性曲線是單調(diào)遞增的,。

  4.3.3其他說明

  頻率說明:當(dāng)改變輸入信號的頻率,如輸入1 kHz的信號,,輸出信號的頻率也變?yōu)? kHz,,其他特性不變。

  幅度說明:若想增加輸出正弦波信號的幅度,,首先不接發(fā)射極電阻RE1,、RE2,再調(diào)節(jié)RW2,,使得差分放大器的發(fā)射極電流改變,,從而改變輸出電壓,當(dāng)RW2完全接入電路中,,發(fā)射極和集電極電流最小,,輸出電壓最大,此時,,輸出電壓峰峰值最大能達(dá)到4 V,。

  這時,差分放大器的T2已進(jìn)入飽和狀態(tài),,T1仍在放大狀態(tài),;恒流源的T3仍處在放大狀態(tài),,T4仍處在飽和狀態(tài)。其參數(shù)測試結(jié)果如表9和表10所示,。

010.jpg

  增益說明:本實(shí)驗(yàn)利用的是差分放大器的非線性特性,,而不是它的線性放大作用,測試結(jié)果說明增益不超過1,,且當(dāng)輸入電壓大到一定程度以上,,輸出電壓的幅度不會再增加,這也正符合非線性特性,。

5結(jié)論

  本文提出了一種利用差分放大器的非線性特性將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波的實(shí)驗(yàn)方法。如果需要幅度更大的正弦波,可加一級放大電路,比如采用單管共射放大電路,。本設(shè)計(jì)方法可推廣到方波到正弦波的轉(zhuǎn)換,,只需在本設(shè)計(jì)電路之前加一級積分電路,將方波轉(zhuǎn)換成三角波之后,,再進(jìn)行三角波到正弦波的變換,。

參考文獻(xiàn)

  [1] BOYLESTAD R L, NASHELSKY L. 模擬電子技術(shù)[M].李立華,,李永華,,徐曉東,等,,譯.北京:電子工業(yè)出版社,,2008.


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