實驗四差分放大器

1、實驗四 差分放大器實驗?zāi)康模?. 掌握差分放大器偏置電路的分析和設(shè)計方法；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。實驗內(nèi)容：一 實驗預(yù)習(xí)根據(jù)圖4-1所示電路，計算該電路的性能參數(shù)。已知晶體管的導(dǎo)通電壓VBEon=0.55,=500,VA=150,試求該電路中晶體管的靜態(tài)電流ICQ,節(jié)點1和2的直流電壓V1，V2，晶體管跨導(dǎo)gm，差模輸入電阻Rid，差模輸入電壓增益Avd，共模電壓增益Avc，和共模抑制比KCMR，請寫出詳細的計算過程，并完成表4-1. 圖4-1 差分放大器實驗電路表4-1ICQ(mA)V1(V)V2(V)gm(mS)Rid

2、(k歐)AvdAvcKCMR1.005982.988042.9880438.69111.275-76.3578-1.973619.3448解：其直流通路和交流通路如下圖所示所以 ICQ=500*1.6-0.5520.88+501=1.00598mAV1=v2=5-2*1.00598=2.98804Vgm=ICQVT=38.69mSRid=2(10/rbe)=11.275krce=VAICQ=149.108kAvd=-gm*RC=-76.3578Avc=-RC2*R1=-1.9736KCMR=19.3448二 仿真實驗1. 在MULTISIM中設(shè)計差分放大器，電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖4-1所示，進行直

3、流工作點分析，得到電路的工作點電流和電壓，完成表4-2，并與計算結(jié)果對照。表4-2：ICQ(mA)V1(V)V2(V)V3(V)V5(V)V6(V)2.203882.997502.997501.003411.576511.554922. 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。采用示波器觀察輸出波形，測量輸出電壓的峰峰值，通過“差模輸出電壓峰峰值/差模輸入電壓峰峰值”計算差模增益Avd，用頻譜儀器觀測節(jié)點1的基波功率和諧波功率，并完成表4-3。截得的波形以及頻譜圖如下：輸入單端幅度為1mV輸入單端幅度為10mV輸入單端幅度為20mV表4-3：輸

4、入信號單端幅度（mV）11020Avd-74.82-71.978-64.45基波頻率P1(dBm)-24.677-5.260-0.039基波頻率P2(dBm)-97.072-46.231-30.139基波頻率P3(dBm)-103.764-81.625-53.434在示波器中觀察差模輸出電壓可以采用數(shù)學(xué)運算方式顯示。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候不一樣，輸入的幅度越大，|Avd|越小。因為輸出電壓主要由電路的直流工作點確定，當交流信號較小時，可以忽略。但是當交流信號變大便不可忽略，這是，增益的計算值和測量值相差較

5、大。當輸入交流信號較小時，差模傳輸特性才是線性的，即和計算結(jié)果相差不大。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,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，并寫出詳細的計算和分析過程。輸出波形如圖所示計算：VIC=Vi1+Vi22=5mAVid=Vi1-Vi2=10mAVOC=Vic*Avc=-9.868mVVOd=Vid*Avd=-763.578mV所以Vo1=Voc+12Vod=-391.657mVVo2=Voc-12Vod=-371.921mV仿真的結(jié)果為：Vo1：370.755mVVo

6、2：351.655 mV因為輸入的交流信號既含差模信號也含共模信號，所以在計算單端增益時既需考慮差模增益也需考慮共模增益。同時，共模增益比較小，所以兩邊的增益會有微小的差別。4. 在圖4-1所示電路中，將輸入信號V1和V2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，計算電路的共模增益，并與計算結(jié)果對照。輸出波形如圖所示所以Avc=-38.22/20=-1.911測出的結(jié)果與計算結(jié)果相差不大，但仿真結(jié)果絕對值較小，可能是輸入信號較大。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

7、仿真得到電路的共模增益和差模增益。答：若要減小共模增益可以將電阻R1換為直流電流源電路圖如下所示：共模信號輸出波形如下圖所示：差模信號輸出波形如下：所以Avc=-8.64/20000=-4.32*10-4Avd=1400/20=70所以KCMR=(70/2)/( 4.32*10-4)=81018.5KCMR大大提高了。5.采用圖4-4所示電路對輸入直流電壓源V2進行DC掃描仿真，得到電路的差模傳輸特性。 圖4-4 差分放大器傳輸特性試驗電路1（1） 電壓掃描范圍1.351.75V，掃描步進1mV，得到電阻R2、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)

8、中點附近測量其斜率，得到差分放大器的跨導(dǎo)，并與計算結(jié)果對照（VBEon=0.55,=500,）；（2） 若將V3電壓改為1V，再掃描V2電壓，掃描范圍0.81.2V，掃描步進1mV，仿真得到差模傳輸特性，并得到跨導(dǎo)，與計算結(jié)果相比較。（3） 若將圖4-4中電阻R1改為理想直流電流源，如圖4-5所示。固定V3為1V,將仿真結(jié)果與上面結(jié)果作比較，指出異同點并給出解釋。 圖4-5 差分放大器傳輸特性實驗電路2（1）掃描圖線如下圖示曲線斜率得，gm=9.7037m 計算得到的gm=0.0385（2） 掃描圖線如下圖示曲線斜率得，gm=4.5236m 計算得到的gm=0.0173（3

9、）掃描圖線如下圖示曲線斜率得，gm=10.0161m 計算得到的gm=0.0385思考：a. 在仿真任務(wù)（1）中，若V2的掃描電壓改為05V，測量電源電壓V2和V3中的電流，即三極管基極電流，與理論分析一致嗎？參考硬件實驗中給出的MAT02EH內(nèi)部的電路，給出解釋。硬件實驗中，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：與理論分析不一致。當V2較大時，會將B、E間的二極管反向擊穿，然后電流就會突然不斷變大。在進行硬件實驗時，可以先測量基極的電壓，保證電壓正常時再接入晶體管。具體的掃描曲線如下圖所示：b. 仿真任務(wù)

10、（1）和（2），差模輸出電流隨V2的變化趨勢一致嗎？若有差異，原因是什么？答：兩仿真曲線的變化趨勢相同，但其斜率即gm不同。因為兩仿真實驗設(shè)置的基極工作電壓不同，所以其工作電流不同，斜率也不同。三 硬件實驗1. 按照圖4-1所示電路在面包板上設(shè)計電路，并進行測試和分析（1） 測量電路各點的直流工作點，完成表4-4.表4-4：V1(V)V2(V)V3(V)V5(V)V6(V)3.033.040.991.601.57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：直流電壓V1和V2可能會有微小的差別，因為MAT02EH管的兩邊不可能是完全對

11、稱的，所以輸出的信號也會有差別?？梢栽黾虞敵鲭妷旱偷哪且欢说幕鶚O電壓，也可以增加輸出電壓高的那一端的電阻。（2） 輸入差分信號，通過示波器同時觀察兩路輸出波形。設(shè)置合理地顯示參數(shù)并截圖，根據(jù)截圖數(shù)據(jù)中的波形峰峰值計算電路的差模增益。請?zhí)峤惠斎胄盘枂味苏穹鶠?0mV，頻率為2KHZ的兩路輸出波形，并根據(jù)示波器顯示的輸出峰峰值計算差模增益Avd。截取的波形圖如下所示：所以Avd=1690/20=84.5。（3） 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截圖。仿真所得波形如下：硬件波形有誤。2. 差模傳輸特性按照圖4-9所示電路在面包板上設(shè)計電路，并測試差

12、模傳輸特性。圖中R7為010k歐可變電阻。 圖4-9 差模傳輸特性硬件實驗電路圖（1） R4=R5=1K歐，手動調(diào)節(jié)可變電阻R7，逐點測量節(jié)點8的電壓，節(jié)點4及節(jié)點7的電壓差，在1.6V附近步長可取小一點。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，以節(jié)點8電壓為x軸，差模輸出電壓為y軸，得到電路的差模傳輸特性，并在差模輸出電流0附近測量其斜率。即放大器跨導(dǎo)。測得數(shù)據(jù)如下：R75k6k7k7.47k8k8.47k9k10kV8/v1.141.311.461.521.591.651.721.83V4/v0.550.690.810.850.880.870.880.89V7/v3.843.092.462.212.021.881.

13、741.53V4- V7-3.29-2.40-1.65-1.36-1.14-1.01-0.86-0.64I/mA-1.645-1.2-0.825-0.68-0.57-0.505-0.43-0.32作得圖線如下：可求得斜率為gm=1.083mS（2） R4=R5=20K歐，重復(fù)（1）中的測量，并得到差模傳輸特性及斜率。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。測得數(shù)據(jù)如下R75k6k7k7.47k8k8.47k9k10kV8/v1.141.311.461.521.591.661.721.84V4/v0.400.430.400.410.410.410.

14、410.41V7/v3.573.242.942.802.672.552.412.19V4- V7-3.17-2.81-2.542.39-2.26-2.14-2.00-1.78I/mA-1.585-1.405-1.27-1.195-1.13-1.07-1.0-0.89其斜率為gm=0.857mS思考：若固定電阻R7=8K歐，在1.4V1.8V范圍內(nèi)逐漸改變節(jié)點5電壓，以節(jié)點5電壓為x軸，差模輸出電流為y軸同樣在R4=R5=1K歐和R4=R5=20K歐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)系和實驗（1）與（2）之間的倍數(shù)關(guān)系相同嗎？為什么？R4=R5=1K歐V5/v1.41.451.51.551.61.651.71.751.8V4/v0.710.750.790.830.880.910.930.940.95V7/v2.172.122.082.042.012.002.022.062.12V4- V7-1.46-1.37-1.29-1.21-1.13-1.09-1.09-1.12-1.17I/mA-0.73-0.685-0.645-0.605-0.565-0.545-0.545-0.56-0.585斜率gm=0.8mSR4=R5=20K歐V5/v1.41.451.51.551.61.651.71.751.8V4/v0.37