龐艷杰1，胡國英2，曹艷麗1
（1. 北京工業(yè)大學耿丹學院 信息工程系，北京 101301； 2.北京航空航天大學 電子信息工程學院，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)果驗證了其波形變換功能。
關鍵詞：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和數(shù)字電子技術應用的一個重要組成部分［12］。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，相對比較復雜，且參數(shù)的選擇要十分精確，以至于在實際應用中很少使用［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)絡才能得到正弦波，電路結(jié)構(gòu)相對復雜［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，器件參數(shù)的選擇也要十分精確，因而其電路和計算都較復雜［6］。本文提出了一種利用差分放大器的非線性實現(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)絡的電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。在本設計提出的差分放大電路之前加一個積分器，就可以很容易地實現(xiàn)方波到正弦波的波形變換，具有一定的應用價值。
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)；當輸入電壓為0~0.6 V時,呈現(xiàn)截止狀態(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,來克服零點漂移［78］。
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計
2.1電路原理圖
本設計電路原理圖如圖3所示［910］,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?！?/p>
2.2硬件電路設計
本設計采用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RW1調(diào)至中點使差分對管的參數(shù)完全對稱,且RW2也調(diào)至中點,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，差分放大器將進入非線性狀態(tài)，其差模傳輸特性曲線如圖4所示［911］ 。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，但本設計要利用它的非線性，所以不接RE1、RE2。圖4的實線部分是不接RE1、RE2時的特性曲線，在差模輸入的條件下，當輸入電壓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，本設計就是利用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>
4硬件電路測試和分析
4.1靜態(tài)參數(shù)測試
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至中點位置。
表4和表5為T1和T2管的靜態(tài)實際測量值，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。
4.2靜態(tài)參數(shù)測量誤差
利用誤差計算公式：測量誤差=|（測量值-估算值）/估算值|×100%，計算得到主要參數(shù)的測量誤差，如表7和表8所示。
分析產(chǎn)生誤差的原因，主要有以下三點：
(1)差分放大器的對稱性不理想。實際生產(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)部載流子運動的變化，當環(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。儀器本身電氣或機械等性能不完善產(chǎn)生的誤差［12］。本實驗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XY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。
當輸入不變，若T1的集電極接輸出信號的負端，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到4 V。
這時，差分放大器的T2已進入飽和狀態(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。
增益說明：本實驗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)換成正弦波的實驗方法。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。本設計方法可推廣到方波到正弦波的轉(zhuǎn)換，只需在本設計電路之前加一級積分電路，將方波轉(zhuǎn)換成三角波之后，再進行三角波到正弦波的變換。
參考文獻
［1］ BOYLESTAD R L, NASHELSKY L. 模擬電子技術［M］.李立華，李永華，徐曉東，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.