差模放大電路信號源的設計與實現(xiàn)

張 鋒， 石起濤， 楊建國， 賀富堂

(西安交通大學 電氣工程學院， 陜西 西安 710049)

差模放大電路信號源的設計與實現(xiàn)

張 鋒， 石起濤， 楊建國， 賀富堂

(西安交通大學 電氣工程學院， 陜西 西安 710049)

本文利用THS4130芯片設計了一種結構簡單、精確度高的單端轉差模信號源電路，該電路還可同時輸出共模信號。筆者計算了電路參數(shù)，并在Mulitisim軟件中完成了仿真驗證。最后，在PCB板上實現(xiàn)了該電路。實踐證明，該電路可將常見的單端信號源轉換成良好的差模、共模信號，可提供高校本科生差模放大電路實驗所需的可靠差模信號源。

電子技術實驗；差模放大電路；差模信號源

0 引言

差模放大電路實驗是一種常見的模擬電子技術基礎實驗，很多高校的實驗指導書上都有涉及。筆者發(fā)現(xiàn)清華大學出版的《電子技術實驗與課程設計(第二版)》、電子工業(yè)出版社的《電子技術實驗教程》以及科學出版社的《模擬電子技術實驗》等實驗教材中，該實驗的差模信號均采用了兩電阻串聯(lián)的方法實現(xiàn)，如圖1所示[1-3]。筆者按此搭接電路后，發(fā)現(xiàn)由于我校模電實驗室提供的信號源是負端接地、單端輸出的，因此并不能得到良好的差模信號。而這種現(xiàn)象在目前國內高校的模電實驗室中具有普遍性。為此，本文提出了一種可行的改進電路，可用于本科生差模放大電路的實驗教學。

圖1 兩電阻實現(xiàn)的單端輸入轉差模輸出電路圖

1 電路設計

為了給差模放大電路提供一種可靠的信號源，筆者選擇了TI公司的高速、低噪全差模運算放大器THS4130進行電路設計。實現(xiàn)了將單端輸入信號轉

為差模輸入信號的目的，電路如圖2所示：

圖2 THS4130實現(xiàn)的單端輸入轉差模輸入電路圖

參數(shù)計算如下?？稍O：

根據(jù)運放的虛短，并引入一個未知量UX可得

UX=UIN+=UIN-

再根據(jù)全差模運放性質，約束兩個輸出：

運放虛斷，流過兩個電阻上的電流相等：

由此可解出：

兩個輸出中，都含有共模信號VOCM成分，以及方向相反、大小相等的差模信號US成分。要想讓他們的差值不含有共模部分，只有讓VOCM部分相等，也就是kA=kB。

為了讓電路更對稱，選擇：

R1A=R1B=R1,R2A=R2B=R2,k=R2/R1

由于傳輸線等效阻抗一般為50 Ω，所以信號源的輸出阻抗選50 Ω。而后級電路的輸入阻抗也必須是50 Ω，以與傳輸線匹配。由于實驗中單端信號均由信號源產生，因此之前的單端轉差模電路需要進行修改。修改后的電路如圖3所示：

圖3 含阻抗匹配的單端輸入轉差模輸出電路圖

信號源具有50 Ω的輸出阻抗，因此電路的輸入阻抗必須也是50 Ω。圖3中須保證從uy標注點看進去的放大器輸入電阻為50 Ω。由于上下兩條支路必須是對稱的，標注點uy處的信號輸出電阻加上RX，應正好等于RA。據(jù)此將電路簡化為圖4：

圖4 含阻抗匹配的單端輸入轉差模輸出等效電路圖

設定增益G為1。同時設定一個臨時系數(shù)：

RA-RX=R3=50//RY=50k

解得：k=RA/RB。

根據(jù)輸入阻抗的定義，可得圖3和圖4中uy點信號應為0.5ui。

將R3=50k代入，將ui消掉。并將k=RA/RB代入，且設RA=x，整理后得

筆者設定RB為1000Ω，由此解得

RA=x=517.3Ω

RY=53.58ΩRX=491.44Ω

用Multisim進行仿真，結果正確。

2 實驗驗證

筆者根據(jù)電路設計繪制PCB圖并印制出了電路板，PCB的頂層圖和底層圖如圖5所示。

(a) PCB圖頂層圖 (b) PCB圖底層圖圖5 單端輸入轉差模輸出電路PCB圖

然后，筆者利用實驗室現(xiàn)有的福州時創(chuàng)電子科技有限公司的環(huán)保型多功能制板機制作了圖6所示的電路板。

圖6 單端輸入轉差模輸出電路板實物圖

制板后，作者對該板的使用效果進行了測試。采用了我校用于本科教學的石家莊數(shù)英儀器的SS3323可跟蹤直流穩(wěn)壓電源和TFG6080 DDS函數(shù)發(fā)生器，以及Tektronix公司的DPO2012型數(shù)字熒光示波器。

筆者用信號發(fā)生器提供頻率為1 kHz、峰-峰值為1 V的單端差模正弦波信號，在不提供共模信號和提供頻率為10 kHz、峰-峰值為0.1 V的共模正弦波信號兩種情況下做了實驗。用示波器觀察輸出結果如圖7所示：

(a) 僅含差模輸出信號 (b) 含差模和共模輸出信號圖7 差模信號輸出結果圖

由結果可見，輸出的差模、共模信號效果良好，可以作為本科生差模放大電路實驗的理想信號源使用。極小的峰-峰值誤差是由電阻阻值的誤差、示波器噪聲和測量誤差所致。

3 結語

本文利用THS4130芯片設計了如圖3所示的結構簡單、精確度高、且對信號源設備要求較低的單端信號轉差模信號的電路。該電路還可同時輸出共模信號。筆者計算了電路中各參數(shù)的值，并在Mulitisim軟件中完成了仿真，驗證了電路設計的正確性。最后，筆者制作了PCB板實現(xiàn)了該電路，并驗證其輸出信號的效果。實踐證明，該電路可將實驗室中信號源輸出的單端信號轉換成良好的差模、共模信號，可作為高校本科生差模放大電路實驗的可靠差模信號源。

[1] 趙淑范，董鵬中．電子技術實驗與課程設計[M]．2版，北京：清華大學出版社，2010,2：50-54．

[2] 劉菊榮，席錫樹．電子技術實驗教程[M]．1版，北京：電子工業(yè)出版社，2013,1：84-88．

[3] 彭其圣，尹建新．模擬電子技術實驗[M]．1版，北京：科學出版社，2010,9：98-112．

Design and Implementation of Signal Source for Differential Mode Amplifier

ZHANG Feng, SHI Qi-tao, YANG Jian-guo, HE Fu-tang

(SchoolofElectricalEngineering,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049,China)

This article designed a simple structured, high accurate single end turn differential mode signal source circuit with the chip THS4130. Besides, the circuit can also output common mode signals at the same time. The authors calculated the circuit parameters and completed the simulation with the Mulitisim software. Finally, a PCB board is made and the output signal is verified. It is proved that this circuit can convert commonly single ended source to a good difference mode and common mode signal, and can be useful for the undergraduate students.

electronic technology experiment; differential mode amplifying circuit; differential signal source

2015-06-11;

2015-09- 15

張 鋒(1983- )，男，碩士，工程師，主要從事電子技術教學工作，E-mail：feng.zhang@mail.xjtu.edu.cn

N33

A

1008-0686(2016)02-0074-03