实验介绍

CA3040是一种采用组合电路的集成宽带放大器，其内部电原理图如图1所示。图中T1、T2、T3 和T4、T5、T6 均为共集–共射–共基组合电路结构，它们共同构成采用组合电路的差分电路作为输入级；T9、R7、R8、R9 组成简易恒流源电路，为输入级提供偏置电流。T7、T8 均为射极跟随器，分别作为反相输出和同相输出。因此，该电路为双端输入–双端输出结构。

该电路中复合使用了多种组态的放大电路，为电路提供了高输入阻抗、高增益、低输出阻抗与大带宽的特点。输入级为共集–共射–共基组合差分电路，其中共集级的输入电阻最大但没有增益，能为CA3040提供最大的输入阻抗；共射级的放大倍数最大，是运放主要的增益级；共基级放大倍速与共射级相当，但带宽最宽，因此能实现宽带的电压放大。输出级同样是一个差分共集电路，能为运放提供最小的输出阻抗，以实现最大的带载能力。

图1

实验步骤

1. ​按照CA3040内部原理图，搭建电路并测试；

2. 静态测试：将两个输入端接地，分别测量两个输出端的直流电压，应为3V；

3. 在输入端接入正弦信号源，用示波器观察电路输出波形，并记录；

4. 用ADALM2000的网络分析仪，测量电路的幅频特性曲线，并记录。

电路仿真

该设计的仿真工具为TINA-TI，源文件可见附件4_2.TSC。将参考电路中的电阻更换为常见阻值后得到的原理图如下所示，VG1为输入，VF1/2为输出。

图2

静态测试：执行瞬态仿真，同时同向与反向输入端接地，测量得到输出端静态工作点为3.38V。

图3

瞬态仿真：输入信号为1MHz 50mVpp正弦波，测量同向与反向输出端的波形如下图所示。其中VG1为输入信号源，VF1为同向输出端，VF2为反向输出端。VF1与VF2呈现出180°相差，幅值均为1.44V，计算而得该CA3040在1MHz 50mVpp信号输入的情况下增益为29.2dB。

图4

调整输入信号幅度为100mVpp时，在输出端测得信号峰峰值2.58Vpp，对应电压增益为28.2dB。

图5

交流特性仿真：从10Hz扫频到50MHz。根据增益-频率曲线可知该分立元件搭建的CA3040放大器带宽为19.81MHz，小信号增益为29.6dB。同时由相位-频率曲线可知，VF1与VF2由固定180°相位偏移，即为同向与反向输出。

图6

板卡设计

使用立创EDA专业版设计板卡原理图与PCB，该板为双层板，尺寸为60mm*40mm。原理图、PCB与实物图如下所示，源文件可见附件4_2.epro。

图7

图8

图9

实验测试

按照下图连接板卡与ADALM 2000，其中W1连接到输入正端IN_P，输入负端连接到地，1+连接到OUT_P，2+连接到OUT_N。通过直流稳压电源向板卡供电+-6V。

图10

输入端均接地，测量到同向与反向输出静态工作点分别为3.102V与2.957V，与仿真的3.38V相符。

图11

图12

使用W1在同相输入端IN_P输入1MHz 50mVpp的正弦波，输出端测量到1MHz 1.525Vpp的正弦波，且同向反向输出端相位差180度。计算得到实际增益为29.69dB，与仿真的29.2dB相符。

图13

IN_P端输入1MHz 100mVpp的正弦波，输出1MHz 2.571Vpp的正弦波，且同向反向输出端相位差180度。计算得到实际增益为28.2dB，与仿真的28.2dB相符。

图14

使用网络分析仪运行交流仿真得该放大器的小信号增益为30.09dB，受限于仪器带宽只能得知该放大器的带宽大于25MHz。小信号增益与仿真的29.6dB相符，但带宽大于仿真的19.81MHz，该差异很可能来自于不匹配的晶体管。

图15

总结

CA3040是一款宽带电压放大器，该放大器通过多组态组合输入、输出结构实现了输入阻抗、增益、输出阻抗与带宽的兼得。本实验针对其内部电路进行了分析、仿真、搭建与测试，最终测得30dB增益与大于25MHz的带宽，带宽略高于仿真结果。