學子專區(qū)—ADALM2000實驗：MOS差分對
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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(qū)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(fā)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(lián)）
■ 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(fā)生器的輸出，M2的基極連接到第二個任意波形發(fā)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(fā)生器配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V。第二個波形發(fā)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(fā)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(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(wěn)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(fā)生器配置為200 Hz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏移為0 V。第二個波形發(fā)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(fā)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(qū)進入三極管（阻性）區(qū)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(jiān)測。應調整發(fā)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(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應與1+連接到第一個波形發(fā)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(fā)生什么。
您可以在學子專區(qū)博客上找到問題答案。
作者簡介
Doug Mercer于1977年畢業(yè)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(shù)據(jù)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(xù)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(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)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(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。
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