雙輸入雙輸出差分放大

1、沈陽理工大學(xué)電子課程設(shè)計第一部分模擬電子課程設(shè)計1沈陽理工大學(xué)電子課程設(shè)計目錄1 模擬電子部分31.1課程設(shè)計的目的與作用31.2 設(shè)計任務(wù)、及所用multisim軟件環(huán)境介紹31.2.1設(shè)計任務(wù)31.2.2所用multisim軟件環(huán)境介紹31.3 電路模型的建立61.4 理論分析及計算61.4.1對于差模輸入信號的理論分析61.4.2長尾式差分放大電路基本理論分析71.4.3仿真電路模型的理論計算111.5 仿真結(jié)果分析141.5.1仿真結(jié)果141.5.2仿真結(jié)果的分析計算161.5.3仿真結(jié)果與理論估算的比較171.6 設(shè)計總結(jié)和體會181.6.1設(shè)計總結(jié)181.6.2心得體會191.7

2、參考文獻(xiàn)191 模擬電子課設(shè)1.1課程設(shè)計的目的與作用1、了解并掌握Multisim軟件，并能熟練的使用其進(jìn)行仿真；2、加深理解長尾式差分放大電路組成及性能；3、進(jìn)一步學(xué)習(xí)放大電路基本參數(shù)的測試方法；通過自己動手親自設(shè)計和用Multisim軟件來仿真電路，不僅能使我們對書上說涉及到的程序軟件有著更進(jìn)一步的了解和掌握，而且通過用計算機(jī)仿真，避免了實際動手操作時機(jī)器帶來的誤差，使我們對上課所學(xué)到的知識也有跟深刻的了解。1.2 設(shè)計任務(wù)、及所用multisim軟件環(huán)境介紹1.2.1設(shè)計任務(wù)(1)設(shè)計一個雙入雙出長尾式差分放大電路，使其能夠?qū)崿F(xiàn)一定的放大電路的功能，電路由自己獨自設(shè)計完成，在仿真實驗中

3、通過自己動手虛擬調(diào)試電路，能夠真正掌握實驗原理，即靜態(tài)分析和動態(tài)分析，并在仿真實驗后總結(jié)出心得體會。正確理解雙入雙出長尾式差分放大電路各個元件對放大電路性能的影響，以及如何根據(jù)實際要求在仿真實驗中調(diào)試。正確理解雙入雙出長尾式差分放大電路電壓靜態(tài)分析、動態(tài)分析的估算方法。1.2.2所用multisim軟件環(huán)境介紹Multisim是加拿大IIT公司（Interrative Image Technologies Ltd）推出的基于Windows的電路仿真軟件，由于采用交互式的界面，比較直觀、操作方便，具有豐富的元器件庫和品種繁多的虛擬儀器，以及強(qiáng)大的分析功能等特點，因而得到了廣泛的引用。針對不同的用

4、戶，提供了多種版本，例如學(xué)生版、教育版、個人版、專業(yè)版和超級專業(yè)版。其中教育版適合高校的教學(xué)用。Multisim 11 是National Instruments 公司推出的Ni Circuit Design Suit 11中的重要組成部分，它可以實現(xiàn)原理圖的捕獲、電路分析、電路仿真、仿真儀器測試、射頻分析、單片機(jī)等高等應(yīng)用。其數(shù)量眾多的元件數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)化的仿真儀器、直觀的捕獲界面、簡潔明了的操作、強(qiáng)大的分析測試、可信的測試結(jié)果，為眾多電子工程設(shè)計人員縮短產(chǎn)品研發(fā)時間、強(qiáng)化電路實驗教學(xué)立下了汗馬功勞。Multisim 11主界面。啟動Multisim，就會看到其主界面，主要是由菜單欄、系統(tǒng)工具

5、欄、設(shè)計工具欄、元件工具欄、儀器工具欄使用中元件列表、仿真開關(guān)、狀態(tài)欄以及電路圖編輯窗口等組成。如下圖1.2.2-A所示。Multisim 11提供了豐富的元器件。這些元器件按照不同的類型和種類分別存放在若干個分類庫中。這些元件包括現(xiàn)實元件和虛擬元件。所謂的現(xiàn)實元件給出了具體的型號，它們的模型數(shù)據(jù)根據(jù)該型號元件參數(shù)的典型值確定。而所謂的虛擬元件沒有型號，它的模型參數(shù)是根據(jù)這種元件各種元件各種型號參數(shù)的典型值，而不是某一種特定型號的參數(shù)典型值確定。另外，Multisim 11元件庫中還提供一種3D虛擬元件，這種元件以三維的方式顯示，比較形象、直觀.。Multisim 11容許用戶根據(jù)自己的需要創(chuàng)

6、建新的元器件，存放在用戶元器件庫中。如圖1.2.2-B圖1.2.2-A圖1.2.2-BMultisim 11提供了品種繁多、方便實用的虛擬儀器。比如數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器、示波器等17種虛擬儀器。點擊主界面中儀表欄的相應(yīng)的按鈕即可方便地取用所需的虛擬儀器如圖1.2.2-C所示。圖1.2.2-C此外Multisim 11提供了各種不同功能的分析工具。點擊分析按鈕，即可拉出分析菜單，其中列出了Multisim 11的各種分析工具，例如直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析等。1.3 電路模型的建立 差分電路是常見的模擬信號運算電路。在日常生活中也有不少的運用，如各種電子設(shè)備電路中尤為常見。接下來，先進(jìn)

7、行雙入雙出長尾式差分放大電路的建立。如圖1.3.1-A所示。圖1.3.1-A1.4 理論分析及計算 1.4.1對于差模輸入信號的理論分析（一）差模輸入電壓圖1.4.1-A實際上，在差分放大電路的兩個輸入端加上任意大小、任意極性的輸入電壓UI1和UI2我們可以將其認(rèn)為是某個差模輸入電壓的組合。本次仿真由圖1.4.1-A可知差模輸入電壓 ：Uid = 1 2Uid+1 2Uid（二）差模電壓放大倍數(shù)放大電路對差模輸入電壓的放大倍數(shù)稱為差模電壓放大倍數(shù)，用Ad表示，即：Ad = UOUid1.4.2長尾式差分放大電路基本理論分析（一）電路的組成圖1.4.2-A圖1.4.2-A為長尾式差分放大電路的組

8、成部分，其中長尾電阻Re的作用是引入一個公模負(fù)反饋，也就是說Re對于共模信號有負(fù)反饋作用，而對于差模信號沒有負(fù)反饋作用（由于兩管的輸入信號幅度相等而極性相反，所以ic1增加多少，ic2就減少同樣的數(shù)量，因而流過Re的電流總量保持不變，則uE = 0，所以對于差模信號沒有反饋作用），簡單來說其作用就是降低單管零點漂移，提高了共模抑制比。對于VEE的作用則是補(bǔ)償Re 上的直流壓降，提供靜態(tài)基極電流。（二）靜態(tài)分析圖1.4.2-B當(dāng)輸入電壓等于零時，由于電路結(jié)構(gòu)對稱，即1 =2 =，rbe1 = rbe2 = rbe，Rc1 = Rc2 = Rc，R1 = R2 = R，故可認(rèn)為IBQ1 = IBQ

9、2 = IBQ，ICQ1 = ICQ2 = ICQ，UBEQ1 = UBEQ2 = UBEQ，UCQ1 = UCQ2 = UCQ，由三極管的基極回路可得：IBQR + UBEQ + 2 IEQRe = VEE則靜態(tài)基極電流為： IBQ = VEE-UBEQR+2(1+)Re 靜態(tài)集電極電流和電位為：ICQ IBQUCQ = VCC - ICQ Rc （對地）靜態(tài)基極電位為：UBQ = -IBQR（對地）（三）動態(tài)分析由于接入長尾電阻Re后，當(dāng)輸入差模信號時流過Re的電流不變，UE相當(dāng)于一個固定電位，在交流通路中可將Re視為短路，因此長尾式差分放大電路的交流通路如圖1.4.2-C所示。圖中RL為

10、接在兩個三極管集電極之間的負(fù)載電阻。當(dāng)輸入差模信號時，一管集電極電位降低，另一管集電極電位升高，可以認(rèn)為RL中點處的電位保持不變，也就是說，在RL/2處相當(dāng)于交流接地。圖1.4.2-C圖1.4.2-D根據(jù)交流通路可得：iB1 = UI1R+rbeic1 = iB1則uc1 = -ic1（Rc/RL2）= - （RC/RL2)R+rbeuI1同理uc2 = -ic2（Rc/RL2）= - （RC/RL2)R+rbeuI2故輸出電壓為： uo = uc1-uc2 = - （RC/RL2)R+rbe (uI1-uI2)則差模電壓放大倍數(shù)為： Ad = UoUI1-UI2 = （RC/RL2)R+rb

11、e從兩管輸入端向里看，差模輸入電阻為： Rid = 2（R + rbe ）兩管集電極之間的輸出電阻為： Ro = 2 Rc1.4.3仿真電路模型的理論計算在長尾式差分放大電路中，為了使在兩側(cè)的參數(shù)不完全對稱的情況下能使靜態(tài)時的Uo為零，常常接入調(diào)零電位器RW。仿真電路模型的理論計算：在圖1.4.3-A所示的放大電路，已知VCC = VEE =12V，三極管的1=2=50，Rc1=Rc2=Rc=30k，Re=27k，R1=R2=R=10k，RW=500,且設(shè)RW的滑動端調(diào)在中間位置，負(fù)載電阻RL =27k，試估算放大電路的靜態(tài)工作點Q；估算差模電壓放大倍數(shù)Ad；估算差模輸入電阻Rid和輸出電阻R

12、o。圖1.4.3-A解：由三極管的基極回路可得IBQ= VEE-UBEQR+1+（2Re+0.5Rw） = 12-0.710+51×（2×27+0.5×0.5）mA 0.004mA = 4A則 ICQ IBQ = 50×0.004mA=0.2mA UCQ = VCC-ICQRC =（12-0.2×30）V=6V UBQ = -IBQR =（-0.004×10）V= - 0.04V= - 40mV為了估算Ad，需先畫出放大電路的交流通路。長尾電阻Re引入一個共模負(fù)反饋，故對差模電壓放大倍數(shù)Ad沒有影響。但調(diào)位電位器RW中只流過一個三極管

13、的電流，因此將使差模電壓放大倍數(shù)降低。放大電路的交流通路如圖1.4.3-B、C所示。圖1.4.3-B圖1.4.3.C由圖可以求得差模電壓放大倍數(shù)為Ad = - RL'R+rbe+(1+)Rw2其中 RL = RcRL2 = 30×20230+202 k = 7.5 krbe = rbb + (1+)26（mV）IEQ = （300 + 51×260.2） = 6930 = 6.93 kAd = - 50×7.510+6.93+51×0.5×0.5 = -12.6則Rid = 2R+ rbe +（1+ ）Rw2 = 2×(10+

14、6.93+51×0.5×0.5）k 59.4 kRo = 2Rc = 2×30 k=60 k1.5 仿真結(jié)果分析 1.5.1仿真結(jié)果圖1.5.1-A 圖1.5.1-B（正弦曲線按A通道為紅線，B通道為藍(lán)線，C通道為綠線）圖1.5.1-C.圖1.5.1-D1.5.2仿真結(jié)果的分析計算利用Multisim的直流工作點分析功能測量放大電路的靜態(tài)工作點。分析可以得到圖1.5.1-A的結(jié)果?？芍猆CQ1 = UCQ2 = 5.80487 V （對地）UBQ1 = UBQ2 = -42.16825 mV（對地）則 ICQ1 = ICQ2 = VCC-UCQ1RC1 = 12-

15、5.8048730 = 0.207 mA加下正弦輸入電壓，利用四縱示波器可以觀察到圖1.5.2-B的結(jié)果。即uC1（b圖像）與uI（a圖像）反向，而uC2（c圖像）與uI（a圖像）同向。當(dāng)Ui = 10 mV（即Ui1 = 5 mV，Ui2 = -5 mV）時，由虛擬儀表測得Uo = 126.274 mV，Ii = 172.536 nA（圖1.5.1.C），則Ad = - UoUi = - 126.27410=-12.6274Ri = UiIi= 10172.536×103k = 57.969 k將負(fù)載電阻RL開路，測得Uo= 486.468 mV（圖5.1-D）則Ro =（ Uo&

16、#39;Uo - 1）RL = (486.468126.274 - 1) ×20 k = 57.050 k1.5.3仿真結(jié)果與理論估算的比較(一) 靜態(tài)比較1理論計算數(shù)據(jù)： ICQ = 0.2mA UCQ = 6 V UBQ = -40mV2仿真實驗數(shù)據(jù)： ICQ = ICQ 1= ICQ 2=0.207mA UCQ = UCQ 1= UCQ 2=5.80487 V（對地） UBQ = UBQ1 = UBQ2 = -42.16825 mV（對地）3數(shù)據(jù)之差的絕對值：ICQ = | 0.2 -0.207 | = 0.007 mA ICQ% = |0.0070.2|×100%

17、= 3.5%UCQ = | 6 - 5.80487| = 0.19513 V UCQ%= |0.195136|×100%=3.3%UBQ = | - 40 (-42.16825)| = 2.16825 mV UBQ%= |2.16825-40|×100%=5.4%4分析：仿真結(jié)果與理論計算之間還是存在誤差的。但是誤差均不是很大，其中ICQ% =3.5%，UCQ% = 3.3%，UBQ%= 5.4%。不影響對整體的靜態(tài)分析，因為理論分析中存在估算，所以有所誤差在所難免。（二）動態(tài)比較1理論計算數(shù)據(jù)： Ad =-12.6 Rid 59.4 k Ro = 60 k2仿真實驗數(shù)據(jù)：

18、 Ad = -12.6274 Rid = 57.969 k Ro = 57.050 k3數(shù)據(jù)之差的絕對值：Ad = |( -12.6) (-12.6274) | =0.0274 Ad % = |0.0274-12.6|×100% = 0.2%Rid = | 59.4 57.969| = 1.431k Rid %= |1.43159.4|×100%=2.4%Ro = | 60 57.050| = 2.95 k Ro %= |2.9560|×100%=4.9%4分析：仿真結(jié)果與理論計算之間還是存在誤差的。但是誤差均不是很大，其中Ad % = 0.2%，Rid %= 2.4%，Ro %= 4.9%。不影響對整體的動態(tài)分析，因為理論分析中存在估算，所以有所誤差在所難免。1.6 設(shè)計總結(jié)和體會 1.6.1設(shè)計總結(jié)在進(jìn)行仿真后，對雙入雙出長尾式差分放大電路性能的影響有了進(jìn)一步的理解，并且書上總結(jié)出的規(guī)律和公式有了更深層次的掌握。為符合書上的要求，需要對一些元器件進(jìn)行調(diào)試，例如在對三極管選擇和參數(shù)的調(diào)試，一度不能使仿真結(jié)果達(dá)到理想的輸出結(jié)果，在多次更換數(shù)據(jù)庫中的NPN型三極管電路輸出結(jié)果才達(dá)到較為理想的輸出結(jié)果。再如電阻的標(biāo)準(zhǔn)有分ANSI和DIN，開始不知道就是出不來想要的