差分放大電路的pspice分析報(bào)告

..差分放大電路的pspice分析摘要：差分放大電路作為集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)電路.具有電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分析繁瑣的特點(diǎn),一直是模擬電子技術(shù)設(shè)計(jì)與分析中的難點(diǎn)。PSPICE作為著名的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件,具有仿真速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文應(yīng)用PSPICE對(duì)差分放大電路的工作特性進(jìn)行了較全面的仿真,利用PSPICE分析、研究了差分放大電路的時(shí)域響應(yīng)、頻率響應(yīng)以及溫度對(duì)其性能的影響關(guān)鍵詞：差分放大電路PSpice仿真分析引言PSPICE<PersonalSimulationProgramwithICEmphasis>是目前流行的EDA軟件之一,相較其它EDA設(shè)計(jì)分析軟件,其最大優(yōu)勢(shì)在于世界各大著名電子器件公司為它提供了幾萬種模擬和數(shù)字元件模型,使PSPICE的仿真結(jié)果更加真實(shí)并且十分接近實(shí)際電路的分析結(jié)果。PSPICE用于電路仿真時(shí),以源程序或圖形方式輸入,能自動(dòng)進(jìn)行電路檢查,生成圖表,模擬和計(jì)算電路。它不僅可以對(duì)模擬電子線路進(jìn)行不同輸入狀態(tài)的時(shí)間響應(yīng)、頻率響應(yīng)、噪聲和其他性能的分析優(yōu)化,以使設(shè)計(jì)電路達(dá)到最優(yōu)的性能指標(biāo),還可以分析數(shù)字電子線路和模數(shù)混合電路。典型差分放大電路在模擬集成電路中,集成運(yùn)算放大器是應(yīng)用極為廣泛的一種。集成運(yùn)算放大器是一種具有高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路,它的輸入級(jí)一般是由BJT、JFET或MOSFET組成的差分式放大電路,其工作原理是利用差分放大電路的對(duì)稱性來提高整個(gè)電路的共模抑制比和其它方面的性能,從而有效地抑制零點(diǎn)漂移。但是差分電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分析繁瑣,特別是其對(duì)差模輸入和共模輸入信號(hào)有不同的分析方法,難于理解,因而一直是模擬電子技術(shù)中的難點(diǎn)。圖1是一個(gè)典型的差分放大電路,其中Q1與Q2是一對(duì)NPN型的BJT差分對(duì)管,型號(hào)為Q2N2222。Q3與Q4組成鏡像電流源,其電流大小基本恒定<約為VDD-VEE/R1>。恒流源的作用是充當(dāng)有源負(fù)載,即利用其具有很高的交流電阻的特點(diǎn)作為Q1與Q2的發(fā)射極電阻下面利用PSPICE對(duì)差分放大電路的工作特性進(jìn)行仿真研究：差分放大電路的原理圖如圖1。其中Vin是正弦激勵(lì)源,其幅值設(shè)為0.1V,滿足小信號(hào)的要求,頻率設(shè)為5MHz圖1典型的差分放大電路圖2帶變頻交流激勵(lì)源的差分放大電路1.直流分析〔DCSweep>直流分析是設(shè)定電路中某一參數(shù)<稱為自變量>在一定范圍內(nèi)變化,計(jì)算電路的直流偏置特性。在此選定以三極管Q1的電流放大系數(shù)<在PSPICE中以BF表示>為自變量,令其取值從100線性增長(zhǎng)到300,步長(zhǎng)為15。研究差分放大電路的輸出電壓與三極管電流放大系數(shù)的關(guān)系。分析可知,由于差分放大電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱,Q1與Q2具有相同的直流工作狀態(tài),且其集電極電位會(huì)隨著電流放大系數(shù)的增大近似線性地減小。PSPICE仿真結(jié)果如圖3所示。仿真結(jié)果表明,在直流狀態(tài)下,差分放大電路的輸出電壓Vout1、Vout2的變化規(guī)律完全相同.都是隨著三極管電流放大系數(shù)BF的增大而幾乎呈線性地減小。顯然,仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致.圖3PSPICE直流分析仿真結(jié)果<a>Vout1與BF的關(guān)系<b>Vout2與BF的關(guān)系交流分析和噪聲分析<ACSweep／Noise>交流分析和噪聲分析是計(jì)算電路中交流小信號(hào)的頻率響應(yīng)特性,并將電路中各個(gè)器件對(duì)選定的輸出點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲等效到選定的輸入源上.研究差分放大電路的頻率特性就是研究其在不同信號(hào)頻率下的增益以及通頻帶.設(shè)置交流分析的掃描頻率從1HZ到1GHZ。采用10倍頻增量進(jìn)行遞增。需要注意的是,應(yīng)用PSPICE進(jìn)行交流分析時(shí),必須在電路圖中設(shè)置相應(yīng)的獨(dú)立交流激勵(lì)源,否則仿真無法進(jìn)行。在此,可將圖1中的正弦激勵(lì)源Vin改為幅值固定、頻率可變的交流激勵(lì)源VAC,如圖2所示。PSPICE仿真結(jié)果如圖4所示。可見。當(dāng)激勵(lì)源保持幅值0.1V不變,而頻率從1HZ遞增到1GHZ時(shí)。差分放大電路表現(xiàn)出很好的低通特性。這是由于電路結(jié)構(gòu)采用了直接耦合的方式,從而避免了阻容耦合方式時(shí)耦合電容對(duì)放大電路低頻性能的影響。從圖4<b>還可直觀地看出其通頻帶寬約為300KHZ。圖4PSPICE交流頻域分析仿真結(jié)果<a>交流激勵(lì)源與頻率的變化關(guān)系<b>差分電路的輸出Vout1與頻率的變化關(guān)系<C>輸出噪聲曲線瞬態(tài)分析<TimeDomainTransient>瞬態(tài)分析是指在給定輸入激勵(lì)信號(hào)的作用下計(jì)算電路輸出端的瞬態(tài)響應(yīng),實(shí)質(zhì)就是計(jì)算時(shí)域響應(yīng)設(shè)置瞬態(tài)分析的參數(shù)為：從零時(shí)刻開始記錄數(shù)據(jù)。到5000ns結(jié)束,最大步長(zhǎng)為0.1ns。按照?qǐng)D1所示的電路進(jìn)行PSPICE仿真,研究差分電路在單端輸入、單端輸出以及雙端輸出時(shí)的工作情況。PSPICE仿真結(jié)果如圖5<a>、<b>、<c>、<d>所示。圖5PSPICE瞬態(tài)分析仿真結(jié)果〔a>單端輸入的正弦信號(hào)波形<b>差分電路單端輸出時(shí)的Vout1波形<c>差分電路單端輸出時(shí)的Vout2波形<d>差分電路雙端輸出時(shí)的電壓波形由仿真結(jié)果可知,差分放大電路在單端輸入時(shí)。兩個(gè)差分對(duì)管<Q1與Q2>不僅同時(shí)獲得輸入信號(hào),而且獲得的是一對(duì)差模信號(hào),因此單端輸入和雙端輸入的電壓放大倍數(shù)是一樣的。只不過從Vout1端和Vout2端獲得的輸出電壓信號(hào)相位正好相反<如圖5<b>、<c>所示>,由此說明采用雙端輸出獲得的信號(hào)電壓是單端輸出的兩倍。4.溫度分析<TemperatureSweep>研究電子電路的溫度特性是非常必要的,因?yàn)榘雽?dǎo)體器件的顯著缺點(diǎn)是其溫度穩(wěn)定性普遍較差。例如三極管,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),會(huì)引起電流放大系數(shù)、反向飽和電流等參數(shù)發(fā)生變化,嚴(yán)重時(shí)甚至使電路無法正常工作。PSPICE的溫度分析是計(jì)算所設(shè)計(jì)的電路在特定溫度下的特性,是其特有的仿真功能。對(duì)圖1和圖2的差分放大電路分別進(jìn)行溫度分析,PSPICE仿真結(jié)果如圖6所示。圖中紅色、藍(lán)色和綠色的曲線分別代表其在27<常溫>、40和60下的工作情況。可見,即使環(huán)境溫度發(fā)生很大變化,差分放大電路的輸出電壓和頻率特性幾乎是不變的。因此采用差分結(jié)構(gòu)的確可以有效地提高電子電路的溫度穩(wěn)定性,從而抑制主要由溫度變化所引起的零點(diǎn)漂移。而這一點(diǎn)對(duì)保證集成運(yùn)算放大器的工作性能具有非常重要的意義。圖6差分放大電