实验四差分放大器.docx

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实验四差分放大器

实验四-差分放大器

实验四差分放大器

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

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）

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

基波功率P1

（dBm）

二次谐波功率P2

（dBm）

三次谐波功率P3

（dBm）

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。

图4-2.采用示波器测量差模电压

图4-3.数学运算模式下的显示调节

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？

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。

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。

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。

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。

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）；

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。

图4-4.差分放大器传输特性实验电路1

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

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？

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？

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）

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？

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。

图4-9.生成差分信号波形文件

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。

图4-10.示波器界面

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。

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=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。

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？