學子專區(qū)—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(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。