差分式放大电路设计

实验题目：差分式放大电路设计

1. 课程简要信息 {#课程简要信息}

课程名称：低频电子线路实验

课程学时：24学时

项目学时：6学时

适用专业：电子信息工程、通信工程等

学生年级：大学本科二年级第一学期

2. 实验内容与任务 {#实验内容与任务}

2.1实验内容

①利用电路元件独立正确搭建差分式放大电路。

②学习差分式放大电路静态工作点的测量与调试。

③测量差分式放大电路差模电压放大倍数(Avd)、共模电压放大倍数(Avc)和共模抑制比(KCMR)。

2.2实验任务

在差分式放大电路设计实验中，学生将通过以下步骤完成实验：

①观察现象：观察在差分式放大电路中输入信号的差模和共模分量在输出端的表现，并分析其差异。

②分析成因：分析差分式放大电路设计中元件参数对差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比的影响。

③解决问题：尝试调整电路中的元件数值，以解决差分式放大电路在共模抑制方面可能存在的问题，提高电路性能。

2.3扩展任务：

①深入分析：进一步探讨差分式放大电路中的共模抑制比与电路稳定性之间的关系，提出解决方案并进行实验验证。

②创新设计：设计一个具有自动增益控制功能的差分式放大电路，以适应不同输入信号强度的需求。

③实际应用：研究差分式放大电路在传感器信号处理领域的应用，探索差分式放大电路在噪声抑制方面的应用，设计一个能够减少噪声干扰的电路方案。

通过这些实验任务和扩展任务，学生将能够更深入地理解差分式放大电路的原理和性能，并培养解决问题和创新设计的能力。

3. 实验过程及要求 {#实验过程及要求}

本实验项目为设计性实验，按照设计流程包括以下几个主要过程：

①需求分析：仔细阅读实验指导书，了解实验的目的、内容和要求，明确自己的学习目标。

②自学预习：通过教科书、学术论文和互联网资源等途径，提前学习有关差分放大电路的知识，为实验做好准备。

③软件仿真：在实验前，利用电路仿真软件对差分式放大电路进行仿真验证，预先了解电路性能。

④平台构建：根据实验室准备的实验平台和仪器设备，搭建实验电路，确保实验顺利进行。

⑤数据测试：学生需要进行差分式放大电路的差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比的实际测试，获取准确的数据。

⑥问题分析：分析实验中可能遇到的问题，并尝试解决，以提高电路性能。

⑦总结报告：撰写实验报告，包括实验过程、观察结果、数据分析和问题解决方案，进行全面总结。

4. 相关知识及背景 {#相关知识及背景}

差分式放大电路是电子电路中常见的一种放大电路，能有效抑制共模干扰信号。通过正确搭建电路，测试相关参数，学生可以提升实验设计和问题解决能力。实验中观察输入信号在输出端的表现、分析元件参数对电路性能的影响，有助于加深对电路原理的理解。这种实验设计有助于学生在工程领域应用电子电路知识，培养综合能力。

5. 实验环境条件 {#实验环境条件}

①线上教学平台：通过线上教学平台学习通进行实验指导和学习资源的获取，包括实验视频教程、实验手册、在线讨论区等。平台提供了便捷的学习环境，学生可以随时随地进行学习和实验操作。

②软件设计工具：使用电路仿真软件如Multisim、LTspice等进行差分式放大电路设计和仿真验证，以便在实验前对电路性能进行预测和优化。

③电路搭建：学生根据实验室准备的基本电子元器件和焊接设备，如电阻、电容、晶体管、烙铁、焊锡和万能板等，搭建差分式放大电路。在线上教学平台提供的实验模拟工具中，学生可以进行虚拟电路搭建和调试。

④实验仪器：学生根据实验室准备的示波器、信号发生器、万用表等基本实验仪器，测量差分式放大电路的各项参数。

通过以上实验环境条件的准备，学生可以在线上教学平台上进行差分式放大电路设计实验，通过软件设计工具进行仿真验证，搭建实验电路并进行参数测量，从而全面理解差分式放大电路的原理和性能。

6. 教学目标与目的 {#教学目标与目的}

通过差分式放大电路设计实验，学生将学习如何独立搭建电路、测量参数、分析数据，培养实验设计和问题解决能力。旨在加深对电子电路原理的理解，提升学生的实验技能和创新思维，培养他们在工程领域的综合素质和能力。通过实践，学生将掌握差分式放大电路设计的关键步骤，培养解决问题的能力，为将来的工程实践做好准备。

7. 教学设计与实施进程 {#教学设计与实施进程}

7.1教学设计：

本实验是一个聚焦工程实践问题的设计性实验，需要经历案例分析、电路设计、电路仿真、硬件制作、电路调试以及设计总结等过程。在教学过程中，首先进行课堂知识讲解，介绍差分式放大电路的原理和设计方法，引导学生理解电路结构和工作原理。接着进行方法引导，详细解释搭建电路的步骤和注意事项，帮助学生掌握实验操作技巧。

在实验中，设置问题和思路引导是关键。学生将通过观察现象、分析成因和解决问题的方式，深入理解差分式放大电路的性能特点。教师应引导学生思考元件参数对电路性能的影响，提供调整元件数值的建议，以优化电路性能。

教学模式采用实验指导+实践操作+数据分析的方式，通过线上实验平台进行指导和监督。研讨主题可围绕电路性能优化展开，引导学生探讨不同设计方案的优缺点。观察节点包括静态工作点调试和参数测量，验收重点在于学生对实验结果的分析和解释能力。

质询问题围绕电路设计原理、参数测量方法和问题解决方案展开，激发学生思考和讨论。通过这样的教学设计，学生将在实践中深入理解电路设计原理，培养实验设计和问题解决的能力，提升综合素质和工程实践能力。

7.2实施进程：

本差分式放大电路实验总共为6学时（课外2学时+课内4学时），具体实施进程如下表所示。

表1 教学实施进程

8. 实验原理及方案 {#实验原理及方案}

8.1实验原理：

差分放大电路是众多电子设备中常见的一类电路，采用了差分输入方式可以有效降低共模干扰，提高了电路的抗干扰能力。它由两个共模输入信号为零的晶体管组成，通过晶体管连接的虚地点对共模信号进行抑制，只放大差模信号。其中：差模信号指的是两个输入信号的差值，共模信号指的是两个输入信号的平均值。通过调节电路中的元件参数，可以实现差模电压放大和共模抑制。

8.2总体设计思路

①搭建电路：根据差分式放大电路的基本结构，独立搭建电路，包括双极型晶体管、电阻、电容等元件。

②静态工作点调试：测量并调整电路的静态工作点，确保电路正常工作。

③测量参数：利用示波器等仪器测量差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比。

④观察现象：通过输入信号的差模和共模分量在输出端的表现，观察电路的工作情况，分析差异。

⑤分析成因：分析电路设计中元件参数对差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比的影响。

⑥解决问题：根据分析结果，尝试调整电路中的元件数值，优化电路设计，提高共模抑制性能。

图1 差分放大电路总体设计思路

8.3实验方案

①基本电路

图2 基本差分放大电路

②测量静态工作点

调节放大器零点：信号源不接入电路，将放大器输入端与地短接，接通±12V直流电源，使用万用表直流电压档测量输出电压UO,调节电位器R7,使UO=0。调节要仔细，力求准确。

测量静态工作点：零点调好后，使用万用表直流电压档Q1和Q2两个三极管各电极的电位和发射极电阻R6两端的电压URE,具体数值记入表2。

图3 静态工作点测量电路

表2 静态工作点测量值

③测量差模电压放大倍数

将函数信号发生器的输出端接入两个放大器，调节使函数信号发生器的输出为频率f=1KHz的正弦信号，幅值为10mV,接通±12V直流电源。观察放大器集电极输出端的信号波形。在输出波形无失真的情况下，用交流毫伏表测量Ui、UC1和UC2,记录在表3中，并观察Ui、UC1和UC2之间的相位关系，以及URE随Ui改变而变化的情况。

图4 差模放大倍数测量电路

表3 差模放大倍数测量值

③测量共模电压放大倍数

将放大器两个输入段短接，函数信号发生器的输出端接在放大器短接点和地之间。调节使函数信号发生器的输出为频率f=1KHz的正弦信号，幅值为10mV,接通±12V直流电源。观察放大器集电极输出端的信号波形。在输出波形无失真的情况下，用交流毫伏表测量Ui、UC1和UC2,记录在表4中，并观察Ui、UC1和UC2之间的相位关系，以及URE随Ui改变而变化的情况。

图5 共模放大倍数测量电路

表4 共模放大倍数测量值

共模抑制比的计算公式为：KCMR=

8.4思考题

（1）做实验时为什么要对差分放大电路进行调零？

（2）分析Ui、UC1和UC2之间的相位关系。

（3）根据实验结果，分析电阻RE的作用。

9. 实验报告要求 {#实验报告要求}

9.1 预习报告内容

• 理论准备：对差分式放大电路的原理、设计方法和参数测量进行深入理解。

• 实验目的：明确实验的目标和意义，为实验做好准备。

• 实验步骤：梳理实验流程和操作步骤，确保实验顺利进行。

9.2 实验过程记录

• 电路搭建：记录搭建差分式放大电路的过程，包括元件连接方式和布局。

• 静态工作点调试：记录静态工作点的测量过程和调试结果，确保电路正常工作。

• 参数测量：详细记录差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比的测量数据。

9.3 数据处理

• 数据记录：将实验测量数据整理成表格或图表，清晰展示实验结果。

• 数据分析：对测量结果进行分析，探讨差模和共模信号在输出端的表现差异，并分析成因。

9.4 实验总结和体会：

• 实验总结：总结差分放大电路实验过程中遇到的问题和解决方案，反思实验设计和操作中的不足。

• 实验体会：分享实验中的收获和体会，对差分式放大电路设计有何新的认识和理解。

10. 考核要求与方法 {#考核要求与方法}

本实验采取的是百分制进行评分，满分100分。具体考核办法和要求如下表所示。

表5 具体考核办法和要求

11. 项目特色或创新 {#项目特色或创新}

本实验教学设计项目以实验误差为切入点，采用全新视角深掘事物本质，实现从具体到抽象的认知提升。通过学生自主设计电路、进行误差分析及修正，强化实践技能与工程素养。项目整合理论与实践，促进专业与非技术能力的双向增长，拓宽教学深度与广度。实验任务层次分明，综合电路设计、误差校正等多元内容，体现课程的全面性与系统性。