实验四差分放大器.docx

1、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, =500，|VA|=150 V，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

2、（mA）V1（V）V2（V）gm（mS）Rid（k）AvdAvcKCMR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 DC Operating Point，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（Agilent Oscilloscope）

3、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）11020Avd 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

4、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Mult

5、isim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

6、差模传输特性。 电压扫描范围2.35V2.75V，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, =500）； 若将V3电压改为1V，再扫描V2的电压，扫描范围0.8V1.2V，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

7、.8V1.2V，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0V15V，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 DC Opera

8、ting Point，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：Grapher view Cursor Show Cursor，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

9、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 save as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-

10、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

11、计电路，并测试差模传输特性。图中R7为20k30k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=1 k, 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=47 k, 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=26.8 k，在2V3V范围内逐渐改变节点5电压（可以采用myDAQ中的FGEN-Function Generator产生连续不同的直流电压），同样在R4=R5=1 k 和R4=R5=47 k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？