多年前,我需要製作一個振幅調變器(amplitude modulator)作為訊號產生器設計的一部分;我選用了RCA型CA3004作為可變跨導放大器(transconductance amplifier ),它運作十分良好。

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圖1:對CA3004的美好回憶。

圖1中Q1和Q2表現出的跨導與Q3控制的發射極電流直接相關,並呈線性變化;通過Q3的電流越大,Q1和Q2的跨導越高,Q1和Q2提供的訊號增益越多。整個電路俗稱「長尾對」(long-tailed pair)。

雖然我的電路運作得非常好,但來自「上面」的指令是,絕對不能只依賴單一零組件供應來源,而RCA卻是CA3004元件的唯一來源,所以我不得不放棄這個成功的電路設計,去想其他辦法。

而「上面」的顧慮還真是沒錯,RCA在大約一年後停產CA3004;雖然該公司有一系列包括CA3028在內的類似產品型號,但除了CA3028,其他型號都跟CA3004一起被停產了。CA3028的產品壽命要長一些,我卻選擇了錯誤的型號。

我第一次嘗試使用多供應來源零件,是使用2N918型號的電晶體製作另一個長尾對;直到那時我才了解積體電路(IC)為何被發明,因為2N918沒有參數匹配或相互追蹤,因此兩個元件之間的電流分配極不穩定,會隨溫度變化。

解決問題的辦法是製作一個四電晶體差分放大器,應該稱為「長尾四極」(long-tailed quad)。

圖2中的電路跟我所做的設計不完全一樣,不僅是因為在我使用的MultiSim SPICE版本中並沒有2N918的模型,而且我將近50年沒有真正看過那個電路圖了,記憶已經模糊。儘管如此,其運作原理沒有變。

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圖2:長尾四極。

這裡,Q1和Q2仍然以差分對運作,但它們的發射極彼此透過電容耦合,而不是直接相連;Q1和Q2分別有自己的電流源Q3和Q4,而不是共用一個電流源。這兩個電流源具有很好的熱穩定性,因此即使Q1和Q2在參數上與溫度不匹配,關係也不大。圖3是圖2電路的SPICE結果。

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圖3:未調變的載波訊號。

來自訊號源V3的載波訊號在Q1和Q2的集極(collector)處出現差分。請注意,集極訊號彼此有180°相位差異。

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圖4:無載波的調變訊號。

來自訊號源V4的調變訊號在Q1和Q2的集電極處以共模方式出現。其集電極訊號彼此處於0°相位角。

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圖5:已調變的載波訊號。

如果我們將Q1的集極訊號減去Q2的集極訊號,並接通電源,結果就產生調幅載波;調變訊號本身在減法運算中被消除。

這樣的設計確實運作得不錯。載波頻率範圍為10kHz至40MHz,調變頻率範圍為10Hz至50kHz。跨導與射極電流的線性關係意味著調幅性能非常好,而且也滿足了必須使用多供應來源零組件的管理要求。

本文同步刊登於電子技術設計2018年12月刊雜誌

(參考原文: Implementing a long-tailed quad,by John Dunn)