電子設备的领先技術:示波器内的差分放大器

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一些半导體公司近来几年起头供给全差分放大器了，但這类放大器利用在尖端電子装备已有几十年了。這些差分放大器在输入端和输出端都是差分的，输出范畴也得以更加放大。它们的输入和输出端口都是封锁路径，没有大眾接地節點。與地断绝可改良波形质量。因為連结了输入和输出電路回路自己的完备性，接地仅對静态阐發和共模范畴才显得首要。

　電子装备的领先技能

虽然電子行業没有Indy 500或Grand Prix如许的重大赛事来現場测试新的觀點車，但電子產物的開辟也有本身的测试場合。比方，在第二次世界大战時代，麻省理工學院的辐射实行室在雷达研發方面取患了一些超卓的功效。乃至直到今天，人们依然很恋慕阿谁期間的“Rad Lab”文献，此中包括一些電子產物所采用的理论著述。再初期的例子另有在RCA開辟電視的Vladimir Zworykin提出的理论。這是一個真实的技能冲破，彻底分歧于當今產物的渐進式改良。

在20世纪50年月，泰克(Tektronix)公司具有除皺棒推薦,一帮极具立异精力的工程师，包含Howard Vollum、Jack Murdock、Cliff Moulton、John Kobbe(JK触發器就是他發現的)，和Bill Polits等。他们不单開辟出了可在实行室里利用的阴极射線示波器，并且营建出了最鼓励人的抱负技能開辟情况。在由技能立异驱動的示波器市場上，一度博得跨越70%的市場份额，其樂成的底子就在于先辈的工程技能。由于開創人自己就是颇有發現缔造力的工程师，泰克是一家典范的工程导向、鼓動勉励創意立异的企業。

Tek和HP(現為Keysight)是测试和丈量(T&M)仪器公司的精采典型，而高機能丈量仪器则是電子行業的“赛道”。究竟结果，為了丈量所開辟電路的機能特性，丈量仪器電路自己必需要足够好。成果，在T&M装备中發明了不少有趣的電路，而差分放大器就是此中的一個。

　　示波器内的差分放大器

示波器利用全差分放大器已有几十年啦(為甚麼它们必要這麼长時候才成為商用IC呢?)，它们凡是可见于垂直放大器中，探头電压按切确增益放大，然後将放大的波形利用于CRT的垂直偏转板。除第一级(凡是由接地参考探头驱動)外，它们都是全差分放大器。

為了演示，咱们来看看Tek T935A 35 MHz示波器的垂直放大器的，固然如今已颠末時，但它在20世纪70年月但是最先辈的，而且本錢低廉。

圖1：输入缓冲放大器级。

圖1中的输入缓冲放大器级是從手册上扫描的。(趁便说一句，旧的Tek“利用阐明书”中的電路圖可真是艺術作品，是今天的CAD圖纸比不了的，這就是科技前進的價格!)

第一级由JFET Q4222A和B構成。探头波形输入到Q4222B的栅极。它與下方的另外一個JFET構成x1缓冲放大器，输入和输出之間的偏移電压靠近零。這是經由過程利用匹配的JFET，并将下面的JFET作為電流源来实現的。其栅极毗連到-8V電源，R4225(源极的20Ω電阻)两真個電压VGS對應其上方JFET中流過的漏极電流。JFET是匹配的，在不异的電流下，上方的JFET具备不异的VGS。是以，响應的2關鍵字排名,0Ω電阻R4224的下端電压與输入栅极電压不异，并将JFET偏置在零TC事情點。上方的JFET的電流跟着Q4232的基极電流稍微增长，可是很小，匹配是足够的。

该放大器在第二级驱動全差分放大器，由Q4232和Q4234構成。只有上方的BJT(Q4232)必要由放大的波形驱動，而下方的输入在Q4234的基极，動态(交换)接地到示波器探头電路接地端，從而完成输入電路的返回。因為垂直放大器(與所有放大器同样)具备输入偏移偏差，未利用的输入可用于输入偏移偏差调解，這在示波器術语中叫直流均衡。均衡暗示示波器放大器是高差分的，必需使放大器的双侧在不异的静态(直流)前提下事情。

第二级的输出也是差分的。该级仅是一個發射极跟從器，没有電压增益，但必要向JFET缓冲器供给高输入阻抗，并以低阻抗驱動第三级。换言之，它為下一级供给了一個電压源。但是老虎機,，在其差分输出端，输入波形還没有到达差分均衡，由于發射极跟從器之間没有增益互相感化，而且它们之間泡腳藥包,没有產生输入波形的割裂。第二级仅在有2個输入和2個输出時才是差分的。在没有電压增益的环境下，输入差分電压即是输出差分電压。

延迟線的後面三级如圖2所示，這是统一個放大器的持续。

圖2：延迟線的後面三级。

Q4258和Q4268構成一個全差分放大器级，共用發射极電阻R4254，這是一個阻值為63.4Ω、偏差為1%的電阻。電阻R4257和R4267毗連到-8V電源，比R4254大很多，靠近BJT發射器的電流源。

上方Q4258 BJT基极的波形經由過程發射极電路分隔，并與下方Q4268 BJT共用(差未几各占一半)，是以在负载電阻上呈現均衡波形，具备不异的幅度和相反的极性。若是将R4254或RE分成两個值為RE/2的串連電阻，那末它们的中點将是均衡输入差分放大器的“虚地”空節點。在此级，输入波形幅度的一半(仅利用于上方BJT)将呈現在空節點处。

下一级(Q4274，Q4284)是一個互补共源共栅放大器的後半部門——共基极。它是彻底差分的，终极的共集電极(Q4276，Q4286)也是如斯。

　　级增益

要计较互补共源共栅级的差分電压增益，治療高血脂中藥,请注重Q4274和Q4284的發射极增量(或小旌旗灯号)電阻(分流均為825Ω的電阻R4271和R4281)要小很多，@是%q81UK%以大大%5448H%都@ΔIC(即来自Q4258和Q4268的增量電流)流經Q4274和Q4284，在负载電阻R4273和R4283(均為499Ω)两头發生電压。825Ω電阻的目标是為共基级供给發射极偏置電流。级增益重要由集電极负载電阻和發射极電阻R4254决议：

此中上下電压由下标u和l暗示。它们的區分在于输入和输出差分電压。放大器的上侧和下侧城市影响总增益，以是在Av的BJT增益前面x2。由于RE(R4254)很是靠近BJT的動态發射极電阻re，以是更好的增益类似是在增益方程的分母中将RE增长2 x re，此中：

Av≅-12.9，每一個BJT的發射极電流為3.72mA。负载電阻下一级输入阻抗的加载和两個共源共栅BJT的電流消耗α被疏忽。你感觉放大器設計师想要得到-10的增益吗?

　　结语

全差分单片放大器已面世多年，比方ADI AD8138，用于驱動高辨别率ADC和其它高機能(高速和高精度)放大器利用。实在，它们的前身已在示波器中利用了几十年。丈量仪器電路中是不是另有其它好的单片放大器產物可能被半导體公司發掘出来?