東南大學(xué)模電實(shí)驗(yàn)四差分放大器

1、實(shí)驗(yàn)四 差分放大器實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握差分放大器偏置電路的分析和設(shè)計(jì)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傳輸特性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 一、 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)根據(jù)圖 4-1 所示電路，計(jì)算該電路的性能參數(shù)。已知晶體管的導(dǎo)通電壓 VBE(on)=0.55, =500，|VA|=150 V，試求該電路中晶體管的靜態(tài)電流 ICQ，節(jié)點(diǎn) 1 和 2 的直流電壓 V1、V2， 晶體管跨導(dǎo) gm，差模輸入阻抗 Rid，差模電壓增益 Avd，共模電壓增益 Avc 和共模抑制比 KCMR， 請寫出詳細(xì)的計(jì)算過程，并完成表 4-1。表 4-1：圖 4-1. 差分放大器實(shí)驗(yàn)電路IC

2、Q（mA）V1（V）V2（V）gm（mS）Rid（k）AvdAvcKCMR1.01662.9672.96739.18.679-78.186-1.94620.089二、仿真實(shí)驗(yàn)1. 在 Multisim 中設(shè)計(jì)差分放大器，電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖 4-1 所示，進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析（DC 分析），得到電路的工作點(diǎn)電流和電壓，完成表 4-2，并與計(jì)算結(jié)果對照。表 4-2：ICQ（mA）V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）1.001252.997502.997501.00341.576511.55492仿真設(shè)置：Simulate Analyses DC Operating Point，設(shè)置需要

3、輸出的電壓或者電流。2. 在圖 4-1 所示電路中，固定輸入信號頻率為 2kHz，輸入不同信號幅度時，測量電路的差 模增益。采用 Agilent 示波器（Agilent Oscilloscope）觀察輸出波形，測量輸出電壓的峰峰值（peak-peak），通過“差模輸出電壓峰峰值/差模輸入電壓峰峰值”計(jì)算差模增益 Avd，用頻 譜儀器觀測節(jié)點(diǎn) 1 的基波功率和諧波功率，并完成表 4-3。表 4-3：輸入信號單端幅度（mV）11020Avd-72.95-70.00-63基波功率 P1(dBm)-28.015-8.265-3.160二次諧波功率 P2(dBm)-97.239-57.378-46.00

4、0三次諧波功率 P3(dBm)-103.321-43.025-26.382仿真設(shè)置：Simulate Run，也可以直接在 Multisim 控制界面上選擇運(yùn)行。在示波器中觀察差模輸出電壓可以采用數(shù)學(xué)運(yùn)算方式顯示，即用 1 通道信號減 2 通道信號，設(shè)置見圖 4-2。 顯示設(shè)置按鈕可以設(shè)置數(shù)學(xué)運(yùn)算模式下的示波器顯示參數(shù)，見圖 4-3，采用圖中所示顯示調(diào) 節(jié)按鈕可以分別調(diào)節(jié) Scale 和 Offset。圖 4-2. 采用示波器測量差模電壓圖 4-3. 數(shù)學(xué)運(yùn)算模式下的顯示調(diào)節(jié)思考：表 4-3 中的 Avd 在不同輸入信號幅度的時候一樣嗎？若不一樣，請解釋原因？答：Avd 在不同輸入信號幅度的時

5、候不一樣。在不相同的信號輸入時，、rb'e、rce都會有一定程度的改變，因此導(dǎo)致了Avd的改變。3. 在圖 4-1 所示電路中，將輸入信號 V2 的信號幅度設(shè)置為 10mV(Vpk，信號振幅)，頻率為2kHz，輸入信號 V3 的信號幅度設(shè)置為 0，仿真并測量輸出信號幅度。若輸出信號 V1 和 V2 的幅度不一致，請解釋原因，并寫出詳細(xì)的計(jì)算和分析過程，計(jì)算過程可以直接采用表 4-1 中的性能參數(shù)。仿真設(shè)置：Simulate Run，也可以直接在 Multisim 控制界面上選擇運(yùn)行，通過 Agilent 示波器測量輸出波形幅度。解：Vo1與Vo2的輸出信號幅度有差異。分析：單端輸出信號

6、中包含了差模輸出部分和共模輸出部分，因此造成了兩邊單端輸出了不同的幅度，其中：Vo1=Voc+Vod/2Vo1=Voc-Vod/2Vid=Vi1-Vi2=20mVVic=(Vi1+Vi2)/2=10mvVoc=Vic*Avc=19.46mVVod=Vid*Avd=1563.72mv因此Vo1=801.32mV,Vo2=762.4mV考慮到計(jì)算得到的Avd比仿真偏大，則得到的電壓比仿真結(jié)果偏大屬正?，F(xiàn)象。4. 在圖 4-1 所示電路中，將輸入信號 V2 和 V3 設(shè)置成共模輸入信號信號頻率 2kHz，信 號幅度 10mV，相位都為 0°，仿真并測量輸出信號的幅度，計(jì)算電路的共模增益，并

7、與計(jì)算結(jié)果對照。 思考：若需要在保證差模增益不變的前提下提高電路的共模抑制能力，即降低共模增益，可 以采取什么措施？請給出電路圖，并通過仿真得到電路的共模增益和差模增益。 仿真設(shè)置：Simulate Run，也可以直接在 Multisim 控制界面上選擇運(yùn)行，通過 Agilent 示波 器測量輸出波形幅度。解：Avc=-38.29/20=-1.9145與計(jì)算結(jié)果-1.946相符。思考：可采用電流源代替R1，電路原理圖如下共模增益：Avc=0.0000差模增益：Avd=70.00005.采用圖 4-4 所示電路對輸入直流電壓源 V2 進(jìn)行 DC 掃描仿真，得到電路的差模傳輸特 性。1 電壓掃描范

8、圍 1.35V1.75V，掃描步進(jìn) 1mV，得到電阻 R2 和 R3 中電流差隨 V2 電壓的 變化曲線，即輸出電流的差模傳輸特性，并在差模輸出電流的線性區(qū)中點(diǎn)附近測量其斜率， 得到差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算結(jié)果對照（VBE(on)=0.55, =500）；故仿真gm=0.0096557S；計(jì)算gm=0.0385S圖 4-4. 差分放大器傳輸特性實(shí)驗(yàn)電路 12 若將 V3 電壓改為 1V，再掃描 V2 的電壓，掃描范圍 0.8V1.2V，掃描步進(jìn) 1mV，與1 中 一樣，通過仿真得到差模傳輸特性，在傳輸特性的線性區(qū)測量差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算 結(jié)果對照。故仿真gm=0.0044743S；計(jì)算

9、gm=0.00864S3 若將圖 4-4 中的電阻 R1 改為理想直流電流源，如圖 4-5 所示。與2 中一樣，固定 V3 電 壓為 1V，掃描 V2 的電壓，掃描范圍 0.8V1.2V，掃描步進(jìn) 1mV，通過仿真得到差模傳輸 特性，并與2 中仿真結(jié)果對照，指出二者結(jié)果的異同并給出解釋。圖 4-5. 差分放大器傳輸特性實(shí)驗(yàn)電路 2故仿真gm=0.0100438S; 計(jì)算gm=0.0384S思考：a.在仿真任務(wù)1 中，若 V2 的電壓掃描范圍改為 0V5V，測量電源電壓 V2 和 V3 中的電 流，即三極管的基極電流，與理論分析一致嗎？參考硬件實(shí)驗(yàn)中給出的 MAT02EH 內(nèi)部電路，給出解釋。硬

10、件實(shí)驗(yàn)中，由于誤操作，三極管基極可能接地或者接電源，若電流 過大，可能導(dǎo)致晶體管損壞，如何避免這種誤操作導(dǎo)致的基極電流過大？答: 由圖可知，當(dāng)電壓過大時，基極電流會產(chǎn)生較大變化，與計(jì)算結(jié)果不一致。此時基極電壓過大，使基極和發(fā)射極之間的二極管被擊穿，基極電流不斷變大。為避免二極管被擊穿，先測定基極的電壓強(qiáng)度，若明顯過大則調(diào)整至合適的電壓時再接入差分對管。b. 比較仿真任務(wù)1 和2 ，差模輸出電流隨 V2 的變化趨勢一樣嗎？若有差異，原因是什么？ 仿真設(shè)置：Simulate Analyses DC Operating Point，設(shè)置掃描電壓源及掃描范圍和步進(jìn)， 需要輸出的電壓或者電流。差模電流通

11、過表達(dá)式計(jì)算得到，設(shè)置界面見圖 4-6。在仿真結(jié)果 中通過標(biāo)尺完成測量，設(shè)置如下：Grapher view Cursor Show Cursor，然后拖動標(biāo)尺測量。圖 4-6. 差模輸出電流的設(shè)置答：變化趨勢相同，數(shù)值和斜率不同。兩個電路的基極電壓不同，導(dǎo)致工作點(diǎn)電流不相等，于是輸出差模電流不相等。三、 硬件實(shí)驗(yàn)1. 按照圖 4-1 所示電路在面包板上設(shè)計(jì)電路，并進(jìn)行測試和分析。本實(shí)驗(yàn)采用 POCKET LAB 實(shí)驗(yàn)平臺提供的直流+5V 電源、信號發(fā)生器和示波器。信號發(fā)生器產(chǎn)生差分信號，示波器采 用雙通道同時顯示，儀器界面截圖如圖 4-7 所示。差分對管 MAT02EH 的管腳分布如圖 4-8

12、 所示，封裝形式為 TO-78，可以參閱該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊。圖 4-7. POCKET LAB 界面及相關(guān)設(shè)置說明圖 4-8. MAT02EH 管腳圖V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）3.033.040.691.521.501 測量電路各點(diǎn)的直流工作點(diǎn)，完成表 4-4。 表 4-4：思考：若直流電壓 V1 和 V2 不一樣，可能是什么原因?如何調(diào)整電路可以使得輸出直流電壓V1 和 V2 更加一致？答：V1和V2有細(xì)微差別。原因可能是MAT02EH管非完全對稱，電路搭設(shè)時兩邊所使用導(dǎo)線排布也不是完全對稱的，從而使VCC經(jīng)過集電極電阻產(chǎn)生的壓降不同?？稍诩姌O串聯(lián)可變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，在

13、不產(chǎn)生對增益大的影響的前提下使V1=V2，或者在電壓低的地方加一個補(bǔ)償電壓。2 采用 POCKET LAB 信號發(fā)生器產(chǎn)生差分信號，通過示波器同時觀測兩路輸出波形。設(shè) 置合理的顯示參數(shù)并截圖，根據(jù)截圖數(shù)據(jù)中的波形峰峰值計(jì)算電路的差模增益。請?zhí)峤?輸入信號單端振幅為 10mV，頻率為 2kHz 時的兩路輸出波形，并根據(jù)示波器顯示的輸 出峰峰值計(jì)算差模增益 Avd。Avd=(1690+1692)/2/20=84.553 將兩路輸入信號改為相同的信號，頻率 2kHz，振幅為 10mV，得到兩路輸出信號的波形 并提交截圖。答：從圖中可觀察到兩路輸出的信號具有相反的相位，不符合共模特征,原因不明。2.

14、差模傳輸特性按照圖 4-9 所示電路在面包板上設(shè)計(jì)電路，并測試差模傳輸特性。圖中 R7 為 010k 可變電阻。V1 采用 POCKETLAB 信號發(fā)生器產(chǎn)生 1.6V 直流電壓（信號幅度為 0，DC OFFSET 為 1.6V）。圖 4-9. 差模傳輸特性硬件實(shí)驗(yàn)電路圖1 R4=R5=1 k, 手動調(diào)節(jié)可變電阻 R7，逐點(diǎn)測量節(jié)點(diǎn) 8 電壓，節(jié)點(diǎn) 4 及節(jié)點(diǎn) 7 的電壓差（通過該電壓差計(jì)算差模電流），在 1.6V 附近步長可以取小一點(diǎn)，提高測量精度，過了限幅 區(qū)步長可以增加。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，以節(jié)點(diǎn) 8 電壓為 X 軸，差模輸出電流為 Y 軸，得到電路 的差模傳輸特性，并在差模輸出電流 0 附近

15、測量其斜率，即放大器跨導(dǎo)。解：V8(V)V4(V)V7(V)V4-V7(V)I2-I31.74.862.782.081.041.694.852.822.031.0151.684.832.881.950.9751.674.822.931.890.9451.664.783.011.770.8851.654.713.091.620.811.644.683.141.540.771.634.593.261.330.6651.624.53.41.10.551.614.353.580.770.3851.64.213.780.430.2151.594.013.910.10.051.583.874.02-0.1

16、5-0.0751.573.674.18-0.51-0.2551.553.464.47-1.01-0.5051.533.24.67-1.47-0.7351.53.044.82-1.78-0.89計(jì)算得gm=12.5mS.2 R4=R5=20 k, 重復(fù)1 中的測量，并得到差模傳輸特性及其斜率。根據(jù)1 和2 的測量結(jié) 果，對比分析串聯(lián)電阻對差模傳輸特性的影響，并給出理論分析過程。解：V8(V)V4(V)V7(V)V4-V7(V)I2-I31.53.24.73-1.53-0.7651.533.44.48-1.08-0.541.553.644.24-0.6-0.31.573.893.91-0.02-0

17、.011.584.063.80.260.131.594.163.750.410.2051.64.273.580.690.3451.614.433.440.990.4951.624.523.31.220.611.634.583.231.350.6751.644.653.111.540.771.654.733.041.690.8451.664.82.981.820.911.674.812.911.90.951.684.822.871.950.9751.694.842.84211.74.862.792.071.035計(jì)算得gm=14mS.思考：若固定電阻 R7=8 k，在 1.4V1.8V 范圍內(nèi)逐

18、漸改變節(jié)點(diǎn) 5 電壓（可以采用 POCKETLAB 信號發(fā)生器產(chǎn)生連續(xù)不同的直流電壓），以節(jié)點(diǎn) 5 電壓為 X 軸，差模輸出電流為 Y 軸， 同樣在 R4=R5=1 k 和 R4=R5=20 k 兩種條件下得到差模傳輸特性的斜率，這兩種斜率之 間的倍數(shù)關(guān)系和實(shí)驗(yàn)1 與2 之間的倍數(shù)關(guān)系相同嗎？為什么？解：R4=R5=1 k:V5（V）V4（V）V7（V）V4-V7（V）I2-I31.82.544.84-2.3-1.151.782.584.84-2.26-1.131.752.644.84-2.2-1.11.722.74.84-2.14-1.071.72.754.83-2.08-1.041.692

19、.784.82-2.04-1.021.682.824.81-1.99-0.9951.672.854.79-1.94-0.971.662.94.75-1.85-0.9251.652.964.71-1.75-0.8751.643.034.67-1.64-0.821.633.124.6-1.48-0.741.623.234.52-1.29-0.741.613.344.4-1.06-0.531.63.484.29-0.81-0.4051.593.644.15-0.51-0.2551.583.84-0.2-0.11.5753.893.92-0.03-0.0151.573.973.840.130.0651.564.133.690.440.221.554.273.550.720.361.544.43.430.970.4851.534.523.321.20.61.524.613.241.370.6851.514.683.171.510.7551.54.723.121.60.81.484.793.051.740.871.454.833.011.820.911.434.8431.840.921.44.852.991.860.93計(jì)算得gm=16mS.R4=R5=20 k：V5（V）V4（V）V7（V）V4-V7（V）I2-I31.44.913.011.90.951.454