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。

表4-1

ICQ（mA）

V1（v）

V2（v）

gm（ms）

Rid（kΩ）

Avd

Avc

KcmR

1.005

2.988

2.988

38.7

25.84

-76.38

-1.95

19.58

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）

1．001

2.9975

2.9975

1.00341

1.57651

1.55492

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2kHz，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

输出电压峰峰值（V）

0.292

2.81

5

Avd

-73

-70.25

-62.5

基波功率P1（dBm）

-43.748

-27.431

-23.044

二次谐波功率P2（dBm）

-101.085

-65.519

-55.165

三次谐波功率P3（dBm）

-104.837

--47.795

-31.841

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：

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？

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。

实际测得输出电压峰峰值为741.51mv和703.31mv，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。

仿真得：

vo1=0.7033V,vo2=0.7415V，相位相差180°

计算分析：

vi2=0.02V,vi1=0，∴Vid=0.02V,Vic=0.01V

所以Vo2=vid/2*Avd+vic*Avc=-0.7638V-0.0195V=-0.7833V

Vo1=-vid/2*Avd+vic*Avc=0.7638V-0.0195V=-0.7443V

计算误差约0.04V，与仿真结果基本一致。

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：

Avc≈-1.95，由以上仿真值可得Avc=-1.96

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。

差模增益Avd=230.75，共模增益Avc=4.208共模抑制比为：

KCMR=27418.01。

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。

1电压扫描范围1.35V~1.75V，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=37.1665mS

计算得：

计算：

IBQ=（1.55V-0.55V）/（1000*501）=1.996uA，ICQ=500*IBQ=0.998mA

gm=38.5*ICQ=38.4mS

计算值与仿真值大致相似。

②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①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。

仿真得：

gm=17.6335mS

计算得：

IBQ=（1V-0.55V）/（1k*501）=0.898uA，ICQ=500*IBQ=0.449mA

gm=38.5*ICQ=17.29mS

计算值与仿真值类似。

③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②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②中仿真结果对照，指出二者结果的异同并给出解释。

gm=37.2754mS

分析：

③中的跨导大于②中的跨导。

原因：

③中使用电流源，ICQ约等于1mA,大于②中的ICQ，因此跨导也大于②中的。

思考：

a.在仿真任务①中，若V2的电压扫描范围改为0V~5V，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①和②，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。

二、硬件实验

1.按照图4-1所示的电路在面包板上设计电路，并进行测试和分析。

①直流工作点

V1（V）

V2（V）

V3（V）

V5（V）

V6（V）

3.12

3.09

0.95

1.57

1.54

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：

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，或者增大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，直 到把直流电压V1和V2调成一致。

2采用信号发生器产生差分信号（单端振幅10mV，频率2kHz），通过示波器同时观测两路输出波形。

计算差模增益Avd。

Avd≈-3.36V/40mV=-83.9

仿真值与计算值有一些误差

将两路输入信号改为相同的信号，频率2kHz，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4-9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0~10kΩ可变电阻。

V1采用PocketLAB信号发生器产生1.6V直流电压。

①R4=R5=1 kΩ, 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1.6V附近步长可以取小一点，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。

曲线：

跨导：

gm=（0.67-（-0.425））/（1.62-1.56）=18.25ms

②R4=R5=20kΩ, 重复①中的测量，并得到差模传输特性及其斜率。

根据①和②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。

源数据：

曲线：

跨导：

gm=[0.28-（-0.445）]/（1.6-1.56）=18.125ms

分析：

由计算可知，电阻的改变对跨导的改变并不大。

思考：

若固定电阻R7=8 kΩ，在1.4V~1.8V范围内逐渐改变节点5电压，以V5为X轴，同样在R4=R5=1 kΩ 和R4=R5=20kΩ两种条件下得到差模传输特性的斜率，这两种斜率之间的倍数关系和实验①与②之间的倍数关系相同吗？

为什么？

这两种斜率之间的倍数关系和实验①与②之间的倍数关系不相同。

因为仪器精度有限。