學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn)：MOS差分對(duì)

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(jiǎn)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(wèn)題的說(shuō)明對(duì)本次實(shí)驗(yàn)也是有效的。通過(guò)提高信號(hào)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(jiàn)圖1），可以改善信噪比。本次實(shí)驗(yàn)需要如下材料：

■   兩個(gè)100 Ω電阻

■   兩個(gè)1 kΩ電阻

■   兩個(gè)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(huì)使用該衰減器和濾波器。

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

■   無(wú)焊面包板

■   跳線

■   兩個(gè)10 kΩ電阻

■   一個(gè)15 kΩ電阻（將10 kΩ和4.7 kΩ電阻串聯(lián)）

■   兩個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（CD4007或ZVN2110A）

說(shuō)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(gè)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(gè)任意波形發(fā)生器的輸出，M2的基極連接到第二個(gè)任意波形發(fā)生器的輸出。兩個(gè)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(cè)量?jī)蓚€(gè)10 kΩ負(fù)載電阻上的差分輸出。

圖2 帶尾電阻的NMOS差分對(duì)

圖3 NMOS差分對(duì)面包板

硬件設(shè)置

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

圖4 NMOS差分對(duì)XY圖

電流源用作尾電流

使用簡(jiǎn)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(lái)偏置差分對(duì)的方法。這可以由幾個(gè)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(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M3和M4采用CD4007或ZVN2110A）

圖5 帶尾電流源的差分對(duì)

硬件設(shè)置

第一個(gè)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(gè)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(hào)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(gè)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(duì)面包板電路

程序步驟

配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。XY圖示例如圖7所示。

圖7 帶尾電流源的差分對(duì)XY圖

測(cè)量共模增益

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

圖8 測(cè)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(gè)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(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。使用LTspice^?的波形示例如圖10所示。

圖10 共模增益波形

問(wèn)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(duì)于輸出2+和2-而言是反相還是同相？解釋您的答案。

■   說(shuō)明當(dāng)輸入電壓(W1)增大或減小時(shí)，每個(gè)輸出電壓（2+和2-）會(huì)發(fā)生什么。

您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問(wèn)題答案。

作者簡(jiǎn)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(lái)，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(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)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(shí)為Circuits from the Lab^?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)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。