差模放大电路信号源的设计与实现

张 锋， 石起涛， 杨建国， 贺富堂

(西安交通大学 电气工程学院， 陕西 西安 710049)

差模放大电路信号源的设计与实现

张 锋， 石起涛， 杨建国， 贺富堂

(西安交通大学 电气工程学院， 陕西 西安 710049)

本文利用THS4130芯片设计了一种结构简单、精确度高的单端转差模信号源电路，该电路还可同时输出共模信号。笔者计算了电路参数，并在Mulitisim软件中完成了仿真验证。最后，在PCB板上实现了该电路。实践证明，该电路可将常见的单端信号源转换成良好的差模、共模信号，可提供高校本科生差模放大电路实验所需的可靠差模信号源。

电子技术实验；差模放大电路；差模信号源

0 引言

差模放大电路实验是一种常见的模拟电子技术基础实验，很多高校的实验指导书上都有涉及。笔者发现清华大学出版的《电子技术实验与课程设计(第二版)》、电子工业出版社的《电子技术实验教程》以及科学出版社的《模拟电子技术实验》等实验教材中，该实验的差模信号均采用了两电阻串联的方法实现，如图1所示[1-3]。笔者按此搭接电路后，发现由于我校模电实验室提供的信号源是负端接地、单端输出的，因此并不能得到良好的差模信号。而这种现象在目前国内高校的模电实验室中具有普遍性。为此，本文提出了一种可行的改进电路，可用于本科生差模放大电路的实验教学。

图1 两电阻实现的单端输入转差模输出电路图

1 电路设计

为了给差模放大电路提供一种可靠的信号源，笔者选择了TI公司的高速、低噪全差模运算放大器THS4130进行电路设计。实现了将单端输入信号转

为差模输入信号的目的，电路如图2所示：

图2 THS4130实现的单端输入转差模输入电路图

参数计算如下。可设：

根据运放的虚短，并引入一个未知量UX可得

UX=UIN+=UIN-

再根据全差模运放性质，约束两个输出：

运放虚断，流过两个电阻上的电流相等：

由此可解出：

两个输出中，都含有共模信号VOCM成分，以及方向相反、大小相等的差模信号US成分。要想让他们的差值不含有共模部分，只有让VOCM部分相等，也就是kA=kB。

为了让电路更对称，选择：

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

由于传输线等效阻抗一般为50 Ω，所以信号源的输出阻抗选50 Ω。而后级电路的输入阻抗也必须是50 Ω，以与传输线匹配。由于实验中单端信号均由信号源产生，因此之前的单端转差模电路需要进行修改。修改后的电路如图3所示：

图3 含阻抗匹配的单端输入转差模输出电路图

信号源具有50 Ω的输出阻抗，因此电路的输入阻抗必须也是50 Ω。图3中须保证从uy标注点看进去的放大器输入电阻为50 Ω。由于上下两条支路必须是对称的，标注点uy处的信号输出电阻加上RX，应正好等于RA。据此将电路简化为图4：

图4 含阻抗匹配的单端输入转差模输出等效电路图

设定增益G为1。同时设定一个临时系数：

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

解得：k=RA/RB。

根据输入阻抗的定义，可得图3和图4中uy点信号应为0.5ui。

将R3=50k代入，将ui消掉。并将k=RA/RB代入，且设RA=x，整理后得

笔者设定RB为1000Ω，由此解得

RA=x=517.3Ω

RY=53.58ΩRX=491.44Ω

用Multisim进行仿真，结果正确。

2 实验验证

笔者根据电路设计绘制PCB图并印制出了电路板，PCB的顶层图和底层图如图5所示。

(a) PCB图顶层图 (b) PCB图底层图图5 单端输入转差模输出电路PCB图

然后，笔者利用实验室现有的福州时创电子科技有限公司的环保型多功能制板机制作了图6所示的电路板。

图6 单端输入转差模输出电路板实物图

制板后，作者对该板的使用效果进行了测试。采用了我校用于本科教学的石家庄数英仪器的SS3323可跟踪直流稳压电源和TFG6080 DDS函数发生器，以及Tektronix公司的DPO2012型数字荧光示波器。

笔者用信号发生器提供频率为1 kHz、峰-峰值为1 V的单端差模正弦波信号，在不提供共模信号和提供频率为10 kHz、峰-峰值为0.1 V的共模正弦波信号两种情况下做了实验。用示波器观察输出结果如图7所示：

(a) 仅含差模输出信号 (b) 含差模和共模输出信号图7 差模信号输出结果图

由结果可见，输出的差模、共模信号效果良好，可以作为本科生差模放大电路实验的理想信号源使用。极小的峰-峰值误差是由电阻阻值的误差、示波器噪声和测量误差所致。

3 结语

本文利用THS4130芯片设计了如图3所示的结构简单、精确度高、且对信号源设备要求较低的单端信号转差模信号的电路。该电路还可同时输出共模信号。笔者计算了电路中各参数的值，并在Mulitisim软件中完成了仿真，验证了电路设计的正确性。最后，笔者制作了PCB板实现了该电路，并验证其输出信号的效果。实践证明，该电路可将实验室中信号源输出的单端信号转换成良好的差模、共模信号，可作为高校本科生差模放大电路实验的可靠差模信号源。

[1] 赵淑范，董鹏中．电子技术实验与课程设计[M]．2版，北京：清华大学出版社，2010,2：50-54．

[2] 刘菊荣，席锡树．电子技术实验教程[M]．1版，北京：电子工业出版社，2013,1：84-88．

[3] 彭其圣，尹建新．模拟电子技术实验[M]．1版，北京：科学出版社，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

张 锋(1983- )，男，硕士，工程师，主要从事电子技术教学工作，E-mail：feng.zhang@mail.xjtu.edu.cn

N33

A

1008-0686(2016)02-0074-03