差分放大電路仿真分析報(bào)告

1、差分放大電路仿真分析差分放大電路是集成運(yùn)算放大器的主要單元電路之一， 它具有很強(qiáng)的抑制零 點(diǎn)漂移的能力。作為集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)，差分放大電路幾乎完全決定著集 成運(yùn)算放大器的差模輸入特性、共模抑制特性、輸入失調(diào)特性和噪聲特性。差分放大電路經(jīng)由兩個(gè)參數(shù)完全相同的晶體管組成，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱。電路具 有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，因此差分放大電路具有四種形式：?jiǎn)味溯斎雴味溯?出、單端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出以及雙端輸入雙端輸出。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：一、理想差分放大電路1繪制電路圖啟動(dòng)Capture CIS程序，新建工程，利用 Capture CIS繪圖軟件，繪制如下 的電路原理圖。雙擊正弦電壓源VS啲圖標(biāo)，

2、在彈出的窗口中設(shè)置 AC為10mVDC為OV, VOFF 為0, VAMP為10m VFREQlkHzVS-的設(shè)置除AC為-10mV外，其余均與 VS+同。illfc1Q2m222Rs2MflMPl = WmV FR:EC= 1kHz3Q2N22191k2k沁CFF= 0 WMV1PLS 1flmV FREO= 1kHz-12V2、直流工作點(diǎn)分析選擇Spice | New Simulation Profile 功能選項(xiàng)或單擊二按鈕，打開 NewSimulation 對(duì)話框，在 Name文本框中輸入 Bias，單擊Create 按鈕，彈出Simulation Sett in gs-Bias對(duì)話框

3、，設(shè)置如下：保存設(shè)置，啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，調(diào)出PSpice A/D窗口，可以在PSpice A/D窗口中選擇View | OutPut Filse功能菜單選項(xiàng)，查看輸出文件。諭入網(wǎng)單文件、EX053OUTL H00633 M00714 Q2N2222N00714 1131090 1101100 Q2N22190UT2 U00931 W00714 Q2N2222* INCLUDING exC63-5CHEMATIC * 寺 sourceQ_C1Q_Q40 02R_Rcl0UT1 N006333k0UT2 N006333kR【R皀IDL246 W011S3ikv2vs+M00595

4、0 DC 0.5639V AC IOmV+5IN 0 lOmV1kHz 000R_R2N01246 N012172k1TO0633 >00595100VVs-M0D960 0 DC 0.5638V AC -10mV+SIM 0 lOnV1kHz U 0 0R_R32M0D960 N00931100VZV2ND1246 0 -127rZrlN01D90 010kVVlN00333 0 12VQ 03N01D90 N01090JJ012L7 Q2N2219晶體管的模型參數(shù)：1ISQ2N2222KPN1.4.34D000E-L5Q2N2219KPN14.3400001-15BF255.9255

5、.3NF11VAF74*0374.03IKF.2S47閔47ISE14.340000E-1514. 340000E-15ME1.3071,3070R6,0926.092NR11RB1010RC11CJE22.010000E-1222.ai0C00E-12HJE.377.377CJC7.306000E-127.3O5CO0E-12MJC.3416.3416TF4L1.100000E-L2411.1DOOOOC-12XTF33VTFTTF+ 6.6TR46.910000E-0946.910CD0E-O9XTB1.51.5CN2.422*42D.87.37答個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓：NODEVOLTAGENODE

6、VOLTAGEMODEVOLTAGENODEVOLTAGE(OtlTl)5.2426(0UT2)9.2426(IT00595).5538(N00633J.5632(N00714)-.0776(100833)12.0000(N00931).5532(H00960).5638(N01090)-9.4910(N0L163)-10,1400(DD1217)-10.1250(IT01246)-12.0000電源工作情況：VOLTAGE SOURCE CURREHTSNOECURRENTV_Vs+-5.674E-0GVV3-5.C74E-06匸V2Z.798E-03VVl-1.338E-03總防耗匕S.S

7、6E-02 WATTSTOTAL POWER DISSIPATION"林 BIPOLAR JUNCTION TRA1J5IST0R5答品體管的二作點(diǎn)：NAMEQ_Q1MODELQ2N2222IB5.67E-06ICVBEVBCVCE BETADC GHRPIPXROCEE 匚BCCJSBETAACCBX/CBX2FT/FT29.19E-046.41E-01 -e.60E+OOS.32X4001.62E+023.54E-Q25*07E+031,OOE+Ol9.00E-H45.O0E-113.OBE-12O.OOE+aOl.SOE+02O.OOE+OOl.OSE+OfiQ.Q4Q2W22

8、191.06E-051t8SE-036.59E-01-9,40E+001.01E+01L.74E+027*11E-O2玄.68E+031.ODE+014,51E+Q4e.eoE-ii3.00E-12O.OOE+OO 丄.91E+02 O.OOE+OOL.64E+03Q_Q2Q2N22225.67E-069.19E-046.41E-01 -6.60E+aO9.32E+001.62E+023.54E-025.07E+031,OOE+Ol9.00E+045.O0E-113.0SE-120.OOE+OO1.SOE+020.OOE+OO1.05E-H16Q_Q3Q2N22196434E-06 9.31E

9、-04 6,4E-Q1 0,OOE+OO 6.44E-01 丄.47E+02 3.59E-02 4.53E+03 l.OOE+Ol 7,95E+04 5.L1E-11 7.31E-12 D.OOE+OO 丄.62E+02 O.OOE+OO 9.78E+07在Capture CIS窗口中，單擊 |、V按鈕,此時(shí)電路圖中顯示電路的靜態(tài)工作電壓與電流值，如下圖:Rsl曲FF =心 WWL* IDmV FREQ = 1kHz8.815 674.0irt19.243X/I)10.1u>sS035.674U,1 950m.1414 '1kP10.KOut2lRC212.DDMHs21013V

10、24.»u|J31.1u.WN2219937.5uu<I0.13M337 .5ujluka2k焙加A5&3占m加5.674jVO'FF = 0 WWL二 lOmV FREQ= 1kHz-H -12VH2 DD 13、雙端輸入是的基本特性上面的電路是雙端輸入的形式，可以利用上面的電路來分析雙端輸入時(shí)的電 路特性。將分析類型設(shè)為交流掃描分析AC Sweep選擇 PSpice | New SimulationProfile 功能選項(xiàng)或單擊二按鈕，打開New Simulation 對(duì)話框，在Name文本 框中輸入 AC單擊Create按鈕，彈出Simulation Se

11、ttings-AC 對(duì)話框，設(shè)置 如下：?jiǎn)?dòng)PSpice A/D仿真程序，顯示空的 PSpice A/D窗口，選擇Trace | Add Trace命令，在Add Trace窗口中設(shè)置如下圖，即觀察單端輸出時(shí)的電壓增益： V(OUT1)/ (V(VS+:+)-V(Vs-:+)。再次彈出Add Trace窗口，設(shè)置仿真輸出變量為雙端電壓增益，表達(dá)式為： (V(OUT1)-V(OUT2)/(V(VS+:+)-V(Vs-:+)，結(jié)果如下圖。利用光標(biāo)工具Cusor測(cè)得單端輸出時(shí)的差模電壓增益正好是雙端輸出時(shí)的一半。由于差分放大電路的兩邊完全對(duì)稱，所以兩個(gè)輸出端輸出的是幅度相同，相位相差180度的信號(hào)。

12、圖中可以測(cè)得兩條曲線的上行截止頻率相同。對(duì)于雙端輸入的共模特性分析如下：對(duì)電路圖中信號(hào)源VS-的AC屬性改為10mV其它與信號(hào)源VS一樣，這樣就 相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端上加了相同的信號(hào)。分析類型仍然為交流掃描分析。啟動(dòng) PSpice A/D仿真程序，顯示空的 PSpice A/D窗口，選擇Trace | Add Trace 命 令，在Add Trace窗口中設(shè)置如下圖，即觀察單端輸出時(shí)的電壓增益：V(OUT1)/V(VS+:+)。再次彈出Add Trace窗口，設(shè)置仿真輸出變量為雙端電壓增益，表達(dá)式為： (V(OUT1)-V(OUT2)/V(VS+:+)，結(jié)果如下圖。雙端輸出的共模電壓增益為零。在

13、中低頻段單端輸出時(shí)的共模電壓增益也很小。隨著頻率的增加，共模電壓增益會(huì)急劇增加，增加到一定程度后不會(huì)再有劇 烈的增減，但無論如何這個(gè)小于1。4、單端輸入時(shí)的基本特性在差分放大電路中如果輸入信號(hào)是通過在兩個(gè)輸入端加上大小相等、相位相反的信號(hào)，則稱為雙端輸入，如果輸入信號(hào)是從一端接入，而另一端輸入信號(hào)為 零，則稱為單端輸入。修改電路圖，雙擊電源 VS-,將其AC VOFF VAMP及FREQS性均該為零。選擇PSpice | Markers | Voltage Level 功能選項(xiàng)或單擊仝1按鈕分別在 OUT1和 OUT2各放置一個(gè)電壓探針，再選擇PSpice | Markers | Voltag

14、eDiffere ntial功能選項(xiàng)，觀察兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓差，將正端放置在OUT1負(fù)端放置在OUT2結(jié)果如下圖：分析類型選擇交流掃描分析ACSweep分析設(shè)置與前面的雙端輸入時(shí)分析差 模電壓增益時(shí)一樣。啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，輸出曲線如下圖：丄_1-0圖中可以看到三條曲線，使用工具Cusor測(cè)得輸出端OUT1和0UT2勺輸出電 壓均為503.286mV雙端輸出電壓正好是單端輸出電壓的兩倍。觀察各種輸出方式中各輸出端輸出的瞬態(tài)波形和相位關(guān)系。選擇PSpice |New Simulation Profile功能選項(xiàng)或單擊一按鈕，打開 New Simulation 對(duì)話框，在 Name文

15、本框中輸入 Tran ,單擊 Create 按鈕，彈出Simulation Setti ngs-Tra n 對(duì)話框，設(shè)置如下：防止探針同上，啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，輸出曲線如下圖:圖中可以看出輸出端0UT1和0UT2勺輸出也是幅度大小形同、相位相反的正 弦波，而且在直流輸出時(shí)具有直流偏移，這個(gè)直流偏移是由兩個(gè)晶體管Q1和Q2的的靜態(tài)電壓偏置電壓引起的。而在雙端輸出時(shí)，直流偏移為零，這是由于兩端 (0UT1 0UT2的直流偏移相反，互相抵消的緣故。通過上述分析可知，無論是單端輸入方式還是雙端輸入方式，只要輸出方式 一致，放大倍數(shù)就相等，而且單端輸出時(shí)的放大倍數(shù)是雙端輸出時(shí)的一半。二、非

16、理想對(duì)稱的差分放大電路在實(shí)際的差分放大電路中往往很難實(shí)現(xiàn)電路的完全對(duì)稱，由于配對(duì)晶體管參數(shù)失配和集電極負(fù)載電阻Rc的失配而使差分放大電路的性能變差，主要表現(xiàn)為： 當(dāng)輸入加差模信號(hào)時(shí)輸出會(huì)產(chǎn)生共模分量，當(dāng)輸入加共模信號(hào)分量時(shí)輸出會(huì)產(chǎn)生 差模分量。如果下一級(jí)也是差分放大電路，這種差模輸入一共模輸出的轉(zhuǎn)換將對(duì) 整個(gè)放大電路的性能產(chǎn)生不利影響。修改前面的電路，將R1的大小改為5k,將集電極電阻Rc2調(diào)整為2.5k。選 中晶體管Q2選擇Edit | PSpice Model功能菜單，修改元件的 Bf為200, Ise 為20F，Rb為20,并保存。先輸入差模信號(hào)，即修改 RS2的AC為-10mV其余項(xiàng)與

17、RS1相同。在OUT與OUT2端分別放置一個(gè)電壓探針，進(jìn)行交流小信號(hào)分析。啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，輸出曲線如下圖：IOOHeOKIts10X13=IDOKHeORHe103113=loaitiEOGItzlDItzV(OUTZ)E' KHtM*：! it Plpfce A/D_IewD&3 5aiMAfici 毗.M* 血諭雨am vioinuJffJSCHFFIn口 AConfc« =i餐東殍Edit £*y SmWtnn Lr->« E*ot T-j* 土Vd* Ue使用貫標(biāo)工具Cursor可測(cè)得在中低頻正向輸出端電壓和反相端電壓，兩者相位相反。差模輸入一共模輸出這種輸出模式對(duì)多級(jí)差分放大電路對(duì)的影響不大F面討論共模輸入一差模輸出的電路特性。修改輸入信號(hào)源VS+和VS-的AC項(xiàng)都為1V,進(jìn)行交流小信號(hào)分析設(shè)置。設(shè)置與前面