东南大学 信息学院 电子线路 模电实验四报告差分放大器word版.docx
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东南大学信息学院电子线路模电实验四报告差分放大器word版
实验四差分放大器
姓名：
学号：
实验目的：
1.掌握差分放大器偏置电路的分析和设计方法；
2.掌握差分放大器差模增益和共模增益特性，熟悉共模抑制概念；
3.掌握差分放大器差模传输特性。
实验内容：
一、实验预习
根据图4-1所示电路，计算该电路的性能参数。
已知晶体管的导通电压VBE（on）=0.55,β=500，|VA|=150V，试求该电路中晶体管的静态电流ICQ，节点1和2的直流电压V1、V2，晶体管跨导gm，差模输入阻抗Rid，差模电压增益Avd，共模电压增益Avc和共模抑制比KCMR，请写出详细的计算过程，并完成表4-1。
图4-1.差分放大器实验电路
表4-1：
ICQ（mA）
V1（V）
V2（V）
gm（mS）
Rid（kΩ）
Avd
Avc
KCMR
1
8.2
8.2
38.5
20.3
-261.8
-3.4
38.5
二、仿真实验
1.在Multisim中设计差分放大器，电路结构和参数如图4-1所示，进行直流工作点分析（DC分析），得到电路的工作点电流和电压，完成表4-2，并与计算结果对照。
表4-2：
ICQ（mA）
V1（V）
V2（V）
V3（V）
V5（V）
V6（V）
0.997565
8.219
8.219
1.998
2.647
2.548
仿真设置：
Simulate→Analyses→DCOperatingPoint，设置需要输出的电压或者电流。
2.在图4-1所示电路中，固定输入信号频率为10kHz，输入不同信号幅度时，测量电路的差模增益。
采用Agilent示波器（AgilentOscilloscope）观察输出波形，测量输出电压的峰峰值（peak-peak），通过“差模输出电压峰峰值/差模输入电压峰峰值”计算差模增益Avd，用频谱仪器观测节点1的基波功率和谐波功率，并完成表4-3。
表4-3：
输入信号单端幅度（mV）
1
10
20
Avd
-239.23
-229.25
-208
基波功率P1
（dBm）
-24.021
-5.417
-0.474
二次谐波功率P2
（dBm）
-91.635
-52.095
-40.529
三次谐波功率P3
（dBm）
-96.405
-41.272
-25.723
仿真设置：
Simulate→Run，也可以直接在Multisim控制界面上选择运行。
在示波器中观察差模输出电压可以采用数学运算方式显示，即用1通道信号减2通道信号，设置见图4-2。
显示设置按钮可以设置数学运算模式下的示波器显示参数，见图4-3，采用图中所示显示调节按钮可以分别调节Scale和Offset。
输入信号单端幅度1mV时的输出波形：
输入信号单端幅度10mV时的输出波形：
输入信号单端幅度20mV时的输出波形：
思考：
输入幅度1mV时，表4-3中的数据Avd和计算结果一致吗？
若有差异，请解释差异主要来自什么方面？
表4-3中的Avd在不同输入信号幅度的时候一样吗？
若不一样，请解释原因？
答：
不一致，产生差异的原因可能是如下几点：
I在计算理论值时，没有考虑到基区宽度调至效应，忽略了
，所以理论值与仿真值存在差异。
在计算时，因为β值比较大，又忽略了
与
的差别。
II电阻rbe的仿真时候的值并非准确的等于VT/IBQ,可能有所偏差；
III当VID足够小时，在原点附近VID的很小变化范围内差模传输特性曲线可以看作
是一段直线，直线的斜率为gm,但是事实上并不是一条直线，则gm=的值也随着
VID的不同而略有变化。
并且差模电压增益为Avd=-gmRc，gm的不同会造成Avd的
偏差。
不一样，可能是因为。
当VID足够小时，在原点附近VID的很小变化范围内差模传输特性曲线可以看作是一段直线，直线的斜率为gm,但是事实上并不是一条直线，则gm=的值也随着VID的不同而略有变化。
并且差模电压增益为Avd=-gmRc，gm的不同会造成Avd的偏差。
此外，当信号幅度增大时，对直流工作点有影响，增益不同，而且信号幅度越大，失真越严重，产生更多的高频谐波。
3.在图4-1所示电路中，将输入信号V2的信号幅度设置为10mV（Vpk，单端信号幅度），频率为10kHz，输入信号V3的信号幅度设置为0，仿真并测量输出信号幅度。
若输出信号V1和V2的幅度不一致，请解释原因，并写出详细的计算和分析过程，计算过程可以直接采用表4-1中的性能参数。
答:
实际测得输出电压峰峰值为2.32V和2.39V，稍有不同。
原因可能是，测量单端输出电压时需要考虑共模的增益,而双端输出时,不需要考虑共模的增益,而共模增益带来了幅度的略微差别。
将输入信号分解为差模和共模信号之后，因为差模信号对于两边是大小相等方向相反的，而且差模增益比较大，所以决定了主要的输出信号的波形，即峰峰值大小相近，相位差180度，而共模信号虽然是大小相等方向相同，但因为共模增益比较小，所以对输出的波形影响比较小，形成了两信号的略微幅度上的略微的不一致。
计算过程如下：
由计算可以发现,两输出端的输出信号幅度存在差异,方向相反,与仿真结果一致
仿真设置：
Simulate→Run，也可以直接在Multisim控制界面上选择运行，通过Agilent示波器测量输出波形幅度。
4.在图4-1所示电路中，将输入信号V2和V3设置成共模输入信号——信号频率10kHz，信号幅度10mV，相位都为0°，仿真并测量输出信号的幅度，计算电路的共模增益，并与计算结果对照。
计算值由实验预习部分可知为：
=-3.4，仿真值为：
=-3.34
思考：
若需要在保证差模增益不变的前提下提高电路的共模抑制能力，即降低共模增益，可以采取什么措施？
请给出电路图，并通过仿真得到电路的共模增益和差模增益。
仿真设置：
Simulate→Run，也可以直接在Multisim控制界面上选择运行，通过Agilent示波器测量输出波形幅度。
差模增益Avd=230.75，共模增益Avc=4.208共模抑制比为：
KCMR=27418.01。
5.采用图4-4所示电路对输入直流电压源V2进行DC扫描仿真，得到电路的差模传输特性。
图4-4.差分放大器传输特性实验电路1
电压扫描范围2.35V~2.75V，扫描步进1mV，得到电阻R2和R3中电流差随V2电压的变化曲线，即输出电流的差模传输特性，并在差模输出电流的线性区中点附近测量其斜率，得到差分放大器的跨导，并与计算结果对照（VBE（on）=0.55,β=500）；
计算图示曲线斜率得，gm=0.00952S
计算得：
gm=0.0385S
若将V3电压改为1V，再扫描V2的电压，扫描范围0.8V~1.2V，扫描步进1mV，与中一样，通过仿真得到差模传输特性，在传输特性的线性区测量差分放大器的跨导，并与计算结果对照。
计算图示曲线斜率得，gm=0.00233S
计算得到的gm=0.00864S
若将图4-4中的电阻R1改为理想直流电流源，如图4-5所示。
与中一样，固定V3电压为1V，扫描V2的电压，扫描范围0.8V~1.2V，扫描步进1mV，通过仿真得到差模传输特性，并与中仿真结果对照，指出二者结果的异同并给出解释。
图4-5.差分放大器传输特性实验电路2
计算图示曲线斜率得，gm=0.00992S
计算得到的gm=0.0384S
思考：
a.在仿真任务中，若V2的电压扫描范围改为0V~15V，测量电源电压V2和V3中的电流，即三极管的基极电流，与理论分析一致吗？
参考硬件实验中给出的MAT02EH内部电路，给出解释。
硬件实验中，由于误操作，三极管基极可能接地或者接电源，若电流过大，可能导致晶体管损坏，如何避免这种误操作导致的基极电流过大？
答：
不一致，因为基极电压过大,导致MAT02EH中的BE两点之间的二极管被击穿，基极电
流从而不断变大。
实验时，可以在接入差分对管之前，先测定基极的电压强度，若明显
过大则调整至合适的电压时再接入差分对管。
b.比较仿真任务和，差模输出电流随V2的变化趋势一样吗？
若有差异，原因是什么？
答：
变化趋势一样，但斜率不同。
因为设置的基极电压工作点不同，导致直流工作点的电
流不同，一个为1mA，一个为0.5mA，使得输出电流的大小有很大的差别。
仿真设置：
Simulate→Analyses→DCOperatingPoint，设置扫描电压源及扫描范围和步进，需要输出的电压或者电流。
差模电流通过表达式计算得到，设置界面见图4-6。
在仿真结果中通过标尺完成测量，设置如下：
Grapherview→Cursor→ShowCursor，然后拖动标尺测量。
图4-6.差模输出电流的设置
三、硬件实验
1.按照图4-7所示的myDAQ连接示意图在面包板上设计电路，并进行测试和分析。
示意图中，+15V提供电源，AO-0和AO-1是两路输入信号，必须保证差分输入，AI-0+和AI-1+是差分放大器的两路输出信号，接入myDAQ进行分析和显示，AI-0-和AI-1-需要接地。
差分对管MAT02EH的管脚分布如图4-8所示，封装形式为TO-78，可以参阅该产品的数据手册。
图4-7.差分放大器硬件实验电路及myDAQ连接示意图
图4-8.MAT02EH管脚图
测量电路的直流工作点，完成表4-4。
表4-4：
V1（V）
V2（V）
V3（V）
V5（V）
V6（V）
7.92
7.93
2.05
2.68
2.63
思考：
若直流电压V1和V2不一样，可能是什么原因?
如何调整电路可以使得输出直流电压
V1和V2更加一致？
答：
不一样，原因可能是MAT02EH管并非完全对称的，电路搭设时两边所使用导线排布也
非完全对称的。
可以在电压低的地方加一个补偿电压，或者抬高电压高的地方的电阻，
降低其电压。
或者在电路中接入可变电阻进行调节，与其中一只6.8KΩ电阻串联，直
到把直流电压V1和V2调成一致。
按照图4-9所示，采用myDAQ任意波形发生器产生差分信号，并测量输出波形。
按照图示设置完成后，选择file→saveas存储波形文件，在后续的弹出窗口中文件格式选择wdt，点击NEXT后的参数取缺省值。
将图4-9中的波形设置部分的相位改为180°后再存一个wdt波形文件，得到两个等幅反相的差模信号。
然后在任意波形发生器打开已存储的两个波形文件，并点击run得到实际的输出信号。
输入差模信号后，通过示波器同时观测两路输出波形，示波器界面如图4-10所示。
设置合理的显示参数并截图，根据截图数据中的波形峰峰值计算电路的差模增益。
请提交输入信号单端振幅分别为5mV和10mV时的两路差分输出波形，并分别计算差分增益，信号频率都为10kHz。
振幅：
5mV
差模信号双端输出电压（峰峰值）:
差模信号双端输入电压（峰峰值）：
差模信号增益：
振幅：
10mV
差模信号双端输出电压（峰峰值）:
差模信号双端输入电压（峰峰值）：
差模信号增益：
将两路输入信号改为相同的信号，频率10kHz，振幅为10mV，得到两路输出信号的波形并提交截图。
由于实验仪器的精度有限，不能得到准确的共模输出信号波形，但是可以粗略看出两输出信号相位相同，幅度相似。
2.差模传输特性
按照图4-11所示电路在面包板上设计电路，并测试差模传输特性。
图中R7为20kΩ~30kΩ可变电阻。
AO-1采用myDAQ任意波形发生器产生2.55V直流电压，产生方法参考硬件实验1（先编辑生成wdt文件）。
图4-11.差模传输特性硬件实验电路及myDAQ连接示意图
R4=R5=1kΩ,手动调节可变电阻R7，逐点测量节点8电压，节点4及节点7的电压差（通过该电压差计算差模电流），在2.55V附件步长可以取小一点，提高测量精度，过了限幅区步长可以增加。
根据测量数据，以节点8电压为X轴，差模输出电流为Y轴，得到电路的差模传输特性，并在差模输出电流0附近测量其斜率，即放大器跨导。
R4=R5=1kΩ时：
v8/V
差模输出电流/A
2.11
-0.00186
2.20
-0.00186
2.30
-0.00186
2.40
-0.00185
2.45
-0.0017
2.46
-0.00163
2.48
-0.0015
2.49
-0.00139
2.50
-0.00115
2.51
-0.00097
2.52
-0.00077
2.53
-0.00055
2.54
-0.00041
2.55
-0.00011
2.56
0.0002
2.57
0.000628
2.58
0.001009
2.59
0.001165
2.60
0.001394
2.61
0.001566
2.62
0.001715
2.64
0.001735
取中间两点，求出跨导gm=30.5mS
R4=R5=47kΩ,重复中的测量，并得到差模传输特性及其斜率。
根据和的测量结果，对比分析串联电阻对差模传输特性的影响，并给出理论分析过程。
R4=R5=47kΩ时：
v8/V
差模输出电流/A
2.11
-0.00167
2.16
-0.00167
2.20
-0.00165
2.28
-0.00151
2.34
-0.00128
2.38
-0.00101
2.43
-0.00072
2.45
-0.00062
2.46
-0.00058
2.48
-0.00047
2.49
-0.00039
2.50
-0.00035
2.51
-0.00025
2.52
-0.00016
2.53
-9.4E-05
2.54
-1.9E-05
2.56
7.06E-05
2.57
0.000143
2.58
0.000201
2.59
0.000275
2.62
0.000525
2.66
0.000735
2.70
0.001015
2.77
0.001393
2.80
0.001556
2.82
0.001709
2.84
0.001712
取中间两点，求出跨导gm=5.490mS
思考：
若固定电阻R7=26.8kΩ，在2V~3V范围内逐渐改变节点5电压（可以采用myDAQ中的FGEN-FunctionGenerator产生连续不同的直流电压），同样在R4=R5=1kΩ和R4=R5=47kΩ两种条件下，可同得到两种差模传输特性及相应的传输特性斜率，这两种斜率之间的倍数关系和实验与之间的倍数关系相同吗？
为什么？
固定电阻R7=26.8kΩ，R4=R5=1kΩ时：
V5/V
差模输出电/A
2
0.001868
2.24
0.001866
2.36
0.001863
2.48
0.00185
2.5
0.001747
2.52
0.001625
2.54
0.001454
2.56
0.001235
2.58
0.000969
2.6
0.000676
2.62
0.000362
2.64
3.09E-05
2.66
-0.0003
2.68
-0.00063
2.7
-0.00095
2.72
-0.00124
2.74
-0.0015
2.76
-0.00161
2.78
-0.00162
2.8
-0.00164
2.84
-0.00165
2.88
-0.00171
2.94
-0.00174
3
-0.00175
取中间两点，求出跨导gm=16.545mS
固定电阻R7=26.8kΩ，R4=R5=47kΩ
V5/V
差模输出电流/A
2
0.001719
2.1
0.001719
2.2
0.001674
2.32
0.001615
2.34
0.001513
2.36
0.001443
2.38
0.001368
2.4
0.001282
2.42
0.001193
2.44
0.001097
2.46
0.001
2.48
0.000897
2.5
0.000796
2.52
0.000688
2.54
0.000582
2.56
0.000474
2.58
0.000365
2.6
0.00025
2.62
0.000141
2.64
2.65E-05
2.66
-8.2E-05
2.68
-0.00019
2.7
-0.00031
2.72
-0.00042
2.74
-0.00052
2.76
-0.00064
2.78
-0.00075
2.8
-0.00086
2.82
-0.00098
2.84
-0.00107
2.86
-0.00117
2.88
-0.00127
2.9
-0.00137
2.92
-0.00146
2.94
-0.00155
2.96
-0.00161
2.98
-0.00162
3
-0.00163
取中间两点，求出跨导gm=5.425mS
这两种斜率之间的倍数关系和实验与之间的倍数关系不相同。
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