東南大學模電實驗六 多級放大器的頻率補償和反饋

1、實驗六 多級放大器的頻率補償和反饋實驗目的：1.掌握多級放大器的設計，通過仿真了解集成運算放大器內部核心電路結構；2.掌握多級放大器基本電參數(shù)的定義，掌握基本的仿真方法；3.熟悉多級放大器頻率補償?shù)幕痉椒ǎ?.掌握反饋對放大器的影響。實驗內容：1.多級放大器的基本結構及直流工作點設計基本的多級放大器如圖 1 所示，主要由偏置電路，輸入差分放大器和輸出級構成，是構 成集成運算放大器核心電路的電路結構之一。其中偏置電路由電阻 R1 和三極管 Q4 構成， 差分放大器由三極管 Q3、NPN 差分對管 U2 以及 PNP 差分對管 U1 構成，輸出級由三極管 Q2 和 PNP 差分對管 U3 構成。

2、實驗任務：圖 1. 基本的多級放大器1 若輸入信號的直流電壓為 2V，通過仿真得到圖 1 中節(jié)點 1，節(jié)點 2 和節(jié)點 3 的直流工作 點電壓；V1（V）V2（V）V3（V）14.4295614.429588.388492 若輸出級的 NPN 管 Q2 采兩只管子并聯(lián)，則放大器的輸出直流電壓為多少？結合仿真結 果給出輸出級直流工作點電流的設置方法。V1（V）V2（V）V3（V）14.4377214.4377551.16179m解：將和對比可以發(fā)現(xiàn)，V3的數(shù)值產(chǎn)生明顯的變化。Q2之所以采用單只管子，是因為這樣可以增大輸出直流電壓，使得工作點更穩(wěn)定，提高直流工作點。2.多級放大器的基本電參數(shù)仿真

3、實驗任務：1 差模增益及放大器帶寬將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設置為 2V，AC 輸入幅度都設置為 0.5V，相位相差 180°，采用 AC 分析得到電路的低頻差模增益 AvdI，并提交輸出電壓 V(3)的幅頻特性和相頻特性仿 真結果圖；在幅頻特性曲線中標注出電路的-3dB 帶寬，即上限頻率 fH；在相頻特性曲線中 標注出 0dB 處的相位。解：低頻差模增益AvdI=99.4077dB電壓V（3）的幅頻特性和相頻特性仿真結果圖：由仿真圖： 上限頻率fH=40.7572Hz 0dB處的相位=-173.43472 共模增益將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設置為 2V，AC

4、 輸入幅度都設置為 0.5V，相位相同， 采用 AC 分析得到電路的低頻共模增益 Avc，結合1 中的仿真結果得到電路的共模抑制比 KCMR，并提交幅頻特性仿真結果圖。解：低頻共模增益Avc =-6.6202dB；共模抑制比KCMR =100084.0807。幅頻特性仿真結果圖：3 差模輸入阻抗將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設置為 2V，AC 輸入幅度都設置為 0.5V，相位相差 180°，進行 AC 分析，采用表達 Rid=V(5)/I(V2)+V(6)/I(V3)得到差模輸入阻抗 Rid，請?zhí)峤?Rid 隨頻率變化的曲線圖，并在圖上標記出 100Hz 處的阻抗值。解：10

5、0Hz時的阻抗值=53.6585k。Rid隨頻率變化的曲線圖：4 輸出阻抗按照圖 2 所示，在放大器輸出端加隔直流電容 C1 和電壓源 V4，將 V2 和 V3 的直流電 壓設置為 2V，AC 幅度設置為 0，將 V4 的 AC 幅度設置為 1，進行 AC 分析，采用與輸入 阻抗類似的計算方法，得到電路的輸出阻抗 Ro 隨頻率的變化曲線，并標注出 100Hz 處的阻 抗值。圖 2. 多級放大器輸出阻抗仿真電路思考：若放大器輸出電壓信號激勵后級放大器，根據(jù)仿真得到的結果，后級放大器的輸入阻抗至少為多少才能忽略負載的影響？ 若后級放大器輸入阻抗較低，采取什么措施可以提高放大器的驅動能力？解：100

6、Hz時的輸出阻抗值=32.6843k。R0隨頻率的變化曲線：思考：后級放大器的輸入阻抗至少為該放大器輸出阻抗的十倍時才可忽略負載，Ri326.943k；提高放大器的驅動能力可以減小該放大器的輸出阻抗，可以在輸出端并聯(lián)一個小電阻。3. 多級放大器的頻率補償作為放大器使用時，圖 1 所示電路一般都要外加負反饋。若放大器內部能夠實現(xiàn)全補償， 外部電路可以靈活的施加負反饋，避免振蕩的反生，即要求放大器單位增益處的相位不低于-135°。為此，需要對電路進行頻率補償。 實驗任務：1 簡單電容補償 按照圖 1 所示電路，將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設置為 2V，AC 輸入幅度都設置為 0

7、.5V，相位相差 180°，根據(jù)電路分析并結合 AC 仿真結果找出電路主極點位置，并采用 簡單電容補償方法進行頻率補償，通過仿真得到最小補償電容值，使得單位增益處相位不低 于-135°，提交補償后 V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并標注出上限頻率 fH 和增益為 0dB 時的相位。解：單位增益即增益=1=0dB仿真得,最小補償電容C1=3.5uF。產(chǎn)生第一個極點角頻率的節(jié)點一般是電路中阻抗最高的節(jié)點，本圖中為輸出端。故,補償電容接在輸出電壓與地之間。 補償后V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線：上限頻率為1.9772Hz0dB相位為-133.9004°2 密

8、勒補償按照圖 3 所示電路，對電路進行密勒補償，其中 Q1 和 Q5 構成補償支路的電壓跟隨器。 將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設置為 2V，AC 輸入幅度都設置為 0.5V，相位相差 180°， 進行 AC 仿真分析，通過仿真得到最小補償電容值，使得輸出電壓 V(3)在單位增益處相位不 低于-135°，提交補償后 V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并標注出上限頻率 fH 和增益 為 0dB 時的相位。若輸出電壓為 V(9)，補償后相位要求相同，通過 AC 仿真分析得到所需 要的最小補償電容。圖 3. 多級放大器的密勒補償解：(1)仿真得,最小補償電容C1=11

9、4pF。補償后V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線：上限頻率為227.7293Hz0dB相位為-134.5171°(2)仿真得,最小補償電容C1=207pF。補償后V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線：上限頻率為135.7625Hz0dB相位為-134.5228°4. 反饋放大器圖 1 所示多級放大器具有較高的增益，線性放大時輸入動態(tài)范圍很小。實際使用中，必須施加負反饋才能作為線性放大器使用。在圖 3 的基礎上，引入電壓串聯(lián)負反饋，同時改為 正負電源供電，如圖 4 所示（密勒補償電容 C1 的值請采用實驗任務 3 中得到的結果）。圖 4. 電壓串聯(lián)負反饋放大器實驗任務：1

10、將輸入信號 V2 的直流電壓設置為 0V，AC 輸入幅度都設置為 1V，進行 AC 仿真分析， 得到輸出電壓 V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并在圖中標注上限頻率 fH。解：V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線：上限頻率為2.1740MHz2 按照實驗任務 2 中的分析方法，通過 AC 仿真得到電路的輸出阻抗隨頻率的變化曲線， 并標注 100Hz 處的值，并與沒有施加負反饋的輸出阻抗進行對照，結合理論分析解釋阻抗 的變化。解：使用外接源方法測量輸出阻抗:100Hz時的輸出阻抗值=404.6480m。沒有施加負反饋的輸出阻抗：100Hz時的輸出阻抗值=32.6843k。分析：負反饋會使放大器指標趨于理想化，對于電壓串聯(lián)負反饋，輸出阻抗會減小。3 反饋電阻 R2 和 R3 的值分別改為 10 和 100，R4 的值改為 10/100，重復1 的仿真， 得到 V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線；同時按照圖 4 中 V2 的設置條件進行瞬態(tài)仿真， 得到輸出電壓 V(3)的波形，觀察波形是否失真，并給出合理的解釋。解：V(3)