學子專區—ADALM2000實驗：MOS差分對

目標

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月學子專區文章中提出的關于硬件限制問題的說明對本次實驗也是有效的。通過提高信號電平，然后在波形發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）

■   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-用于測量兩個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差分對面包板

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，并設置為每格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）和對線性輸入范圍的影響，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于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，并設置為每格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于地為單端（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，并設置為每格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。

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

您可以在學子專區博客上找到問題答案。

作者簡介

Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab^?、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。