直流差动放大电路.docx

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直流差动放大电路

直流差动放大电路

实验四直流差动放大电路

一、实验目的

l.熟悉差动放大电路工作原理。

2.掌握差动放大电路的基本测试方法。

二、实验仪器

1.模拟电子实验箱

2.低频信号发生器

3.示波器

4.万用表

三、预习要求

1.计算图4.1的静态工作点（设rbc=3K，β=100）及电压放大倍数。

2.在图4.1基础上画出单端输入和共模输入的电路。

四、实验概述

差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路，由典型的工作点稳定电路演变而来。

为进一步减小零点漂移问题而使用了对称晶体管电路，以牺牲一个晶体管放大倍数为代价获取了低零漂的效果。

它还具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号，由于不存在电容，可以不失真的放大各类非正弦信号如方波、三角波等等。

差动放大电路有四种接法：

双端输入单端输出、双端输入双端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。

由于差动电路分析一般基于理想化（不考虑元件参数不对称），因而很难作出完全分析。

为了进一步抑制零漂，提高共模抑制比，实验所用电路使用V3组成的恒流源电路来代替一般电路中的Re,它的等效电阻极大，从而在低电压下实现了很高的零漂抑制和共模抑制比。

为了达到参数对称，因而提供了RP1来进行调节，称之为调零电位器。

实际分析时，如认为恒流源内阻无穷大，那么共模放大倍数AC=0。

分析其双端输入双端输出差模交流等效电路，分析时认为参数完全对称。

同理分析双端输入单端输出有：

单端输入时：

其Ad、ro由输出端是单端或是双端决定，与输入端无关。

其输出必须考虑共模放大倍数：

无论何种输入输出方式，输入电阻不变：

五、实验内容及步骤

按如图4.1所示实验电路连接电路。

图4.1差动放大原理图

1.测量静态工作点，

（1）调零

将输入端短路并接地，接通直流电源，调节电位器RPl使双端输出电压Uo=0。

（2）测量静态工作点

测量V1、V2、V3各极对地电压填入表6-1中。

表4-1

对地电压

Uc1

Uc2

Uc3

Ub1

Ub2

Ub3

Ue1

Ue2

Ue3

测量值（V）

2.测量差模电压放大倍数。

在输入端加入直流电压信号Ui1=+0.1V，Ui2=－0.1V，按表4-2要求测量并记录，由测量数据算出单端和双端输出的电压放大倍数。

注意：

先将DC信号源OUTl和OUT2分别接入Ui1,和Ui2端，然后调节DC信号源，使其输出为+0.1V和-0.1V。

3.测量共模电压放大倍数。

将输入端Ui1、Ui2短接，接到DC信号源的输入端，信号源另一端接地，然后调节DC信号源，使其输出为+0.1V。

按表4-2要求测量并记录，由测量数据算出单端和双端输出的电压放大倍数。

进一步算出共模抑制比CMRR=

。

表4-2

测量及

计算值

输入

信号Ui

差模输入

共模输入

共模抑制比

测量值（V）

计算值

测量值（V）

计算值

计算值

Uo1

Uo2

U0双

Ad1

Ad2

Ad双

Uo1

Uo2

U0双

Ac1

Ac2

AC双

CMRR

Ui1=+0.1V，Ui2=－0.1V

/

/

/

/

/

/

Ui1=Ui2=+0.1V

/

/

/

/

/

/

4.在实验板上组成单端输入的差放电路进行下列实验。

（1）在图4.1中将Ui2接地，组成单端输入差动放大器，从Ui1端输入直流信号U=±0.1V，测量单端及双端输出，填表4-3记录电压值。

计算单端输入时的单端及双端输出的电压放大倍数。

并与双端输入时的单端及双端差模电压放大倍数进行比较。

表4-3

测量及计算值

输入信号

电压值

双端放大倍数AV

单端放大倍数

Uo1

Uo2

Uo

AV1

AV2

直流＋0.1V

直流－0.1V

正弦信号（50mV、1KHz）

（2）从Ui1端加入正弦交流信号Ui=0.05V，f=1000Hz分别测量、记录单端及双端输出电压，填入表4-3计算单端及双端的差模放大倍数。

（注意：

输入交流信号时，用示波器监视Uo1、Uo2波形，若有失真现象时，可减小输入电压值，使Uo1、Uo2都不失真为止）

六、实验报告

1.根据实测数据计算图4.1电路的静态工作点，与预习计算结果相比较。

2.整理实验数据，计算各种接法的Ad，并与理论计算值相比较。

3.计算实验步骤3中AC和CMRR值。

4.总结差放电路的性能和特点。

5.写明实验目的、任务、原理、步骤、数据、收获和体会。

集成运算放大器（简称运放）是一种高电压放大倍数的直接耦合放大器。

它工作在放大区时，输入

和输出呈线性关系，所以它又被称为线性集成电路。

  这一章我们来学习集成放大电路的组成原理，重点来学习差动放大电路。

在学习时我们把它的内容

分为三节，它们是：

      §4、1差动放大电路

      §4、2集成运算放大器

      §4、3总结

§4、1差动放大电路（第一页）

  我们先来学习一个概念---------零点漂移

一：

零点漂移

 零点漂移可描述为：

输入电压为零，输出电压偏离零值的变化。

它又被简称为：

零漂

  问题：

零点漂移是怎样形成的？

  答：

运算放大器均是采用直接耦合的方式，我们知道直接耦合式放大电路的各级的Q点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化。

当输入短路时（由于一些原因使输入级的Q点发生微弱变化象：

温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。

  产生零漂的原因是：

晶体三极管的参数受温度的影响。

解决零漂最有效的措施是：

采用差动电路。

二：

差动放大电路

1、差动放大电路的基本形式如图

（1）所示

  基本形式对电路的要求是：

两个电路的参数完全对称两个管子的温度特性也完全对称。

  它的工作原理是：

当输入信号Ui=0时，则两管的电流相等，两管的集点极电位也相等，所以输出电压Uo=UC1-UC2=0。

温度上升时，两管电流均增加，则集电极电位均下降，由于它们处于同一温度环境，因此两管的电流和电压变化量均相等，其输出电压仍然为零。

它的放大作用（输入信号有两种类型）

（1）共模信号及共模电压的放大倍数Auc

共模信号---在差动放大管T1和T2的基极接入幅度相等、极性相同的信号。

如图

（2）所示

 共模信号的作用，对两管的作用是同向的，将引起两管电流同量的增加，集电极电位也同量减小，因此两管集电极输出共模电压Uoc为零。

因此：

。

于是差动电路对称时，对共模信号的抑制能力强

（2）差模信号及差模电压放大倍数Aud

差模信号---在差动放大管T1和T2的基极分别加入幅度相等而极性相反的信号。

如图（3）所示

 差模信号的作用，由于信号的极性相反，因此T1管集电极电压下降，T2管的集电极电压上升，且二者的变化量的绝对值相等，因此：

 此时的两管基极的信号为：

  所以：

，由此我们可以看出差动电路的差模电压放大倍数等于单管电压的放大倍数。

 输入端信号之差为0时，输出为0；输入端信号之差不为0时，就有输出。

这就被称为差动放大电路

§4、1差动放大电路（第二页）

基本差动电路存在如下问题：

 电路难于绝对对称，因此输出仍然存在零漂；管子没有采取消除零漂的措施，有时会使电路失去放大能力；它要对地输出，此时的零漂与单管放大电路一样。

为此我们要学习另一种差动放大电路------长尾式差动放大电路

2：

长尾式差动放大电路

  它又被称为射极耦合差动放大电路，如右图所示：

图中的两个管子通过射极电阻Re和Uee耦合。

 下面我们来学习它的一些指标

（1）静态工作点

  静态时，输入短路，由于流过电阻Re的电流为IE1和IE2之和，且电路对称，IE1=IE2，

因此：

（2）对共模信号的抑制作用

  在这里我们只学习共模信号对长尾电路中的Re的作用。

由于是同向变化的，因此流过Re的共模信号电流是Ie1+Ie2=2Ie，对每一管来说，可视为在射极接入电阻为2Re。

它的共模放大倍数为：

 （用第二章学的方法求得）

由此式我们可以看出Re的接入，使每管的共模放大倍数下降了很多（对零漂具有很强的抑制作用）

（3）对差模信号的放大作用

  差模信号引起两管电流的反向变化（一管电流上升，一管电流下降），流过射极电阻Re的差模电流为Ie1-Ie2，由于电路对称，所以流过Re的差模电流为零，Re上的差模信号电压也为零，因此射极视为地电位，此处“地”称为“虚地”。

因此差模信号时，Re不产生影响。

 由于Re对差模信号不产生影响，故双端输出的差模放大倍数仍为单管放大倍数：

（4）共模抑制比（CMRR）

 我们一般用共模抑制比来衡量差动放大电路性能的优劣。

CMRR定义如下：

它的值越大，表明电路对共模信号的抑制能力越好。

  有时还用对数的形式表示共模抑制比，即：

，其中

为差模增益。

CMR的单位为：

分贝（dB）

（5）一般输入信号情况

  如果差动电路的输入信号，即不是共模也不是差模信号时：

我们要把输入信号分解为一对共模信号和一对差模信号，它们共同作用在差动电路的输入端。

例1：

如右图所示电路，已知差模增益为48dB，共模抑制比为67dB，Ui1=5V，Ui2=5.01V，

试求输出电压Uo

解：

∵

=48dB，∴Aud≈-251，

 又∵CMR=67dB 

   ∴CMRR≈2239

  ∴Auc=Aud/CMRR≈0.11

则输出电压为：

§4、2 集成运算放大器

 集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路

一：

集成运放的组成

它有四部分组成：

1、偏置电路；

2、输入级：

为了抑制零漂，采用差动放大电路

3、中间级：

为了提高放大倍数，一般采用有源负载的共射放大电路。

4、输出级：

为了提高电路驱动负载的能力，一般采用互补对称输出级电路

二：

集成运放的性能指标（扼要介绍）

1、开环差模电压放大倍数Aod

它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。

2、最大输出电压Uop-p

它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰--峰值。

3、差模输入电阻rid

它的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。

要求它愈大愈好。

4、输出电阻rO

它的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。

5、共模抑制比CMRR

它放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。

CMRR越大越好。

§4、3 总结

一：

总结

这一章主要掌握的内容有一下几点：

1、直接耦合放大器的零点漂移现象；

2、差动放大器（长尾电路和具有恒流源的电路）直流工作点的计算；

3、差动放大器的信号输入、输出方式；

4、差动放大器的动态性能（差模电压放大倍数、共模电压放大倍数、CMRR、输入电阻和输出电阻）的分析计算，电路参数变化对放大器的影响。

1.

给出差动放大电路原理图

2.给出电路每个三极管的静态工作点值

数据：

（由此图可知Q1Q2的特性曲线相同）

Q1特征曲线:

（1）输入特性曲线

（2）输出特性曲线

Q3

（1）输入特性曲线

（2）输出特性曲线

3.双端输入交流小信号时电路的AVD、AVD1、AVC、AVC1值

（1）AVD:

（2）AVD1:

（3）AVC：

（4）AVC1：

实验四差动放大电路

一、实验目的

1、熟悉Multisim9软件的使用方法。

2、掌握差动放大电路对放大器性能的影响。

3、学习差动放大器静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的仿真方法。

4、学习掌握Multisim9交流分析

5、学会开关元件的使用

二、虚礼实验仪器及器材

双踪示波器信号发生器交流毫伏表数字万用表

三、实验内容与步骤

如下所示，输入电路

1.调节放大器零点

把开关S1和S2闭合，S3打在最左端，启动仿真，调节滑动变阻器的阻值，使得万用表的数据为0（尽量接近0，如果不好调节，可以减小滑动变阻器的Increment值），填表一：

测量值

S3在左端

Q1

Q2

R9

C

B

E

C

B

E

U

S3在第二

2.测量差模电压放大倍数

如下图所示，更改电路。

把相应数据填入下表：

填表二：

典型差动放大电路

恒流源差动放大电路

双端输入

共模输入

双端输入

共模输入

Ui

100mV

1V

100mV

1V

Uc1（V）

Uc2（V）

Ad1=Uc1/Uc2

无

无

Ad=U0/Ui

无

无

Ac1=Uc1/Ui

无

无

Ac=U0/Ui

无

无

CMRR=|Ad1/Ac1|

3.测量共模电压放大倍数

更改电路如下所示：

把仿真数据填入表二

四、思考题

1.分析典型差动放大电路单端输出时CMRR的实测值与具有恒流源的差动放大电路CMMR实测值比较。

2.分析图中电路的通频带。

（答案如下右图，大概4.8M）

实验二单级阻容耦合放大电路虚拟仿真

一、实验目的：

1、进一步熟悉Multisim10软件的使用方法。

2、掌握单级放大电路静态工作点的调整和测量方法及其对放大器性能的影响。

3、掌握单级低频放大电路动态指标测试方法，了解共发射极电路特性。

二、实验内容：

1、放大电路静态工作点（

，

，

，

）的测量及分析（利用直流工作点分析）：

比较理论估算与仿真分析结果。

2、放大电路动态分析：

比较理论估算与仿真分析结果。

2．1电压放大倍数测试分析

1）示波器放大波形

当RL=2KΩ,示波器放大波形:

当RL=330Ω，示波器放大波形:

2）测量数据

仿真数据（注意填写单位）

计算

RL

Vi

V0

Av

2KΩ

18.672mv

-702.165mv

-37.6

330Ω

10.647mv

-125.514mv

-11.8

2．2放大电路输入、输出电阻测量

1）输入电阻

us

ui

Ri

仿真值

9.998mv

7.619mv

3.2kΩ

2）输出电阻

VL

VO

RO

仿真值

281.583mv

531.459mv

1.8kΩ

3、调整偏置电阻对静态工作点和放大倍数的影响：

3.1调整基极电阻仿真数据

55.1

6.82uA

1.19mA

8.51V

7.62mV

282mV

37.0

75.1

4.49uA

787uA

9.735V

8.06mV

202mV

25.1

35.1

11.9uA

1.96mA

6.24V

6.83mV

388mV

56.8

3.2饱和失真和截至失真：

1）饱和失真：

.

饱和失真时的静态工作点和失真波形并进行理论分析

此时，Ib=33.62uA，Ic=3.87Ma,UCE=0.35V.

2）截至失真:

.

截止失真时的静态工作点和失真波形并进行理论分析

三．实验总结

放大电路的静态工作点：

将输入信号为零，即直流电源单独作用时晶体管基极电流Ib，集电极电流Ic，b-e间电压UBE，管压降UCE.

偏置电阻Rw,电流Ic,电压Uc各值适中,三极管工作在放大区;若偏置电阻Rw小,电流Ic大,电压Uc偏小,三极管工作在饱和区;反之三极管工作在截止区。

波形非线性失真分析