如何实现一个四晶体管差分放大器

本设计实例描述了如何实现一个四晶体管差分放大器，即“长尾四件套”。这样的设计工作得不错。载波频率范围为10kHz至40MHz，调制频率范围为10Hz至50 kHz。跨导与发射极电流的线性关系意味着幅度调制性能非常好，而且满足了必须使用多家元器件来源的管理要求。

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周润艺

2021-1-4 10:08:39

多年前，我需要制作一个幅度调制器作为信号发生器设计的一部分。我选用了RCA型CA3004作为可变跨导放大器，它工作得非常好。

图1：CA3004的美好回忆。
图1中Q1和Q2表现出的跨导与Q3控制的发射极电流直接相关，并呈线性变化。通过Q3的电流越大，Q1和Q2的跨导越高，Q1和Q2提供的信号增益越多。整个电路通俗地称为“长尾对”。
虽然我的电路工作得非常好，但上面的领导发话说，一定不能依赖独家元器件供应商。而RCA却是这个CA3004器件的唯一来源，所以我不得不放弃这个成功的电路设计，而去构想其它办法。
你还别说，上面的领导是对的。大约一年后，RCA停止生产CA3004。虽然RCA有一系列类似的产品型号，其中包括CA3028。但除CA3028外，其它型号都跟CA3004一起被停产了。CA3028的产品寿命要长一些，我却选择了错误的型号。
我第一次尝试使用多来源器件是使用2N918型分立晶体管制作另一个长尾对。那时我才弄清发明集成电路的原因。2N918没有参数匹配或相互跟踪，因此两个器件之间的电流分配极不稳定，随温度变化比较大。
解决问题的办法是制作一个四晶体管差分放大器，可以称为“长尾四件套”。
图2中的电路跟我所做的设计不完全一样，不但因为2N918没有在我使用的MultiSim SPICE版本中建模，而且我将近50年没有真正看过那个原理图了，所以记忆也不好使啦。尽管如此，其工作原理并没有变。

图2：长尾四件套。
这里，Q1和Q2仍然作为差分对工作，但它们的发射极彼此通过电容耦合，而不是直接相连。Q1和Q2分别有自己的电流源Q3和Q4，而不是共用一个电流源。
这两个电流源具有很好的热稳定性，因此即使Q1和Q2与温度参数不匹配，关系也不大。从图2的电路中，我们看到SPICE结果（如图3所示）。

图3：未调制的载波信号。
来自信号源V3的载波信号在Q1和Q2的集电极处呈现差分。请注意，集电极信号彼此有180°相位差异。

图4：没有载波的调制信号。
来自信号源V4的调制信号在Q1和Q2的集电极处以共模方式出现。其集电极信号相对于彼此处于0°相位角。

图5：已调制的载波信号。
如果我们将Q1的集电极信号减去Q2的集电极信号，并接通电源，结果就产生调幅载波，调制信号本身在减法运算中被消除。
这样的设计确实工作得不错。载波频率范围为10kHz至40MHz，调制频率范围为10Hz至50kHz。跨导与发射极电流的线性关系意味着幅度调制性能非常好，而且也满足了必须使用多家元器件来源的管理要求。

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