雙輸入雙輸出差分放大

沈陽(yáng)理工大學(xué)電子課程設(shè)計(jì)目錄1模擬電子部分 31.1課程設(shè)計(jì)的目的與作用 31.2設(shè)計(jì)任務(wù)、及所用multisim軟件環(huán)境介紹 31.2.1設(shè)計(jì)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(jì)算 61.4.1對(duì)于差模輸入信號(hào)的理論分析 61.4.2長(zhǎng)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(jì)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(jì)算 161.5.3仿真結(jié)果與理論估算的比較 171.6設(shè)計(jì)總結(jié)和體會(huì) 181.6.1設(shè)計(jì)總結(jié) 181.6.2心得體會(huì) 191.7參考文獻(xiàn) 191模擬電子課設(shè)1.1課程設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(cè)試方法；通過(guò)自己動(dòng)手親自設(shè)計(jì)和用Multisim軟件來(lái)仿真電路，不僅能使我們對(duì)書(shū)上說(shuō)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(guò)用計(jì)算機(jī)仿真，避免了實(shí)際動(dòng)手操作時(shí)機(jī)器帶來(lái)的誤差，使我們對(duì)上課所學(xué)到的知識(shí)也有跟深刻的了解。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)、及所用multisim軟件環(huán)境介紹1.2.1設(shè)計(jì)任務(wù)(1)設(shè)計(jì)一個(gè)雙入雙出長(zhǎng)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(dú)自設(shè)計(jì)完成，在仿真實(shí)驗(yàn)中通過(guò)自己動(dòng)手虛擬調(diào)試電路，能夠真正掌握實(shí)驗(yàn)原理，即靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，并在仿真實(shí)驗(yàn)后總結(jié)出心得體會(huì)。⑵正確理解雙入雙出長(zhǎng)尾式差分放大電路各個(gè)元件對(duì)放大電路性能的影響，以及如何根據(jù)實(shí)際要求在仿真實(shí)驗(yàn)中調(diào)試。⑶正確理解雙入雙出長(zhǎng)尾式差分放大電路電壓靜態(tài)分析、動(dòng)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（InterrativeImageTechnologiesLtd）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(kù)和品種繁多的虛擬儀器，以及強(qiáng)大的分析功能等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的引用。針對(duì)不同的用戶，提供了多種版本，例如學(xué)生版、教育版、個(gè)人版、專業(yè)版和超級(jí)專業(yè)版。其中教育版適合高校的教學(xué)用。Multisim11是NationalInstruments公司推出的NiCircuitDesignSuit11中的重要組成部分，它可以實(shí)現(xiàn)原理圖的捕獲、電路分析、電路仿真、仿真儀器測(cè)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(kù)、標(biāo)準(zhǔn)化的仿真儀器、直觀的捕獲界面、簡(jiǎn)潔明了的操作、強(qiáng)大的分析測(cè)試、可信的測(cè)試結(jié)果，為眾多電子工程設(shè)計(jì)人員縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間、強(qiáng)化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)立下了汗馬功勞。Multisim11主界面。啟動(dòng)Multisim，就會(huì)看到其主界面，主要是由菜單欄、系統(tǒng)工具欄、設(shè)計(jì)工具欄、元件工具欄、儀器工具欄使用中元件列表、仿真開(kāi)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。Multisim11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(gè)分類庫(kù)中。這些元件包括現(xiàn)實(shí)元件和虛擬元件。所謂的現(xiàn)實(shí)元件給出了具體的型號(hào)，它們的模型數(shù)據(jù)根據(jù)該型號(hào)元件參數(shù)的典型值確定。而所謂的虛擬元件沒(méi)有型號(hào)，它的模型參數(shù)是根據(jù)這種元件各種元件各種型號(hào)參數(shù)的典型值，而不是某一種特定型號(hào)的參數(shù)典型值確定。另外，Multisim11元件庫(kù)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.。Multisim11容許用戶根據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)建新的元器件，存放在用戶元器件庫(kù)中。如圖1.2.2-B圖1.2.2-A圖1.2.2-BMultisim11提供了品種繁多、方便實(shí)用的虛擬儀器。比如數(shù)字萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器等17種虛擬儀器。點(diǎn)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Multisim11提供了各種不同功能的分析工具。點(diǎn)擊分析按鈕，即可拉出分析菜單，其中列出了Multisim11的各種分析工具，例如直流工作點(diǎn)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(jiàn)的模擬信號(hào)運(yùn)算電路。在日常生活中也有不少的運(yùn)用，如各種電子設(shè)備電路中尤為常見(jiàn)。接下來(lái)，先進(jìn)行雙入雙出長(zhǎng)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(jì)算1.4.1對(duì)于差模輸入信號(hào)的理論分析（一）差模輸入電壓圖1.4.1-A實(shí)際上，在差分放大電路的兩個(gè)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(gè)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=12Uid（二）差模電壓放大倍數(shù)放大電路對(duì)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=△1.4.2長(zhǎng)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(zhǎng)尾式差分放大電路的組成部分，其中長(zhǎng)尾電阻Re的作用是引入一個(gè)公模負(fù)反饋，也就是說(shuō)Re對(duì)于共模信號(hào)有負(fù)反饋?zhàn)饔?，而?duì)于差模信號(hào)沒(méi)有負(fù)反饋?zhàn)饔茫ㄓ捎趦晒艿妮斎胄盘?hào)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(guò)Re的電流總量保持不變，則△uE=0，所以對(duì)于差模信號(hào)沒(méi)有反饋?zhàn)饔茫?，?jiǎn)單來(lái)說(shuō)其作用就是降低單管零點(diǎn)漂移，提高了共模抑制比。對(duì)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(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，即β1=β2=β，rbe1=rbe2=rbe，Rc1=Rc2=Rc，R1=R2=R，故可認(rèn)為IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，由三極管的基極回路可得：IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE則靜態(tài)基極電流為：IBQ=VEE靜態(tài)集電極電流和電位為：ICQ≈βIBQUCQ=VCC-ICQRc（對(duì)地）靜態(tài)基極電位為：UBQ=-IBQR（對(duì)地）（三）動(dòng)態(tài)分析由于接入長(zhǎng)尾電阻Re后，當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)流過(guò)Re的電流不變，UE相當(dāng)于一個(gè)固定電位，在交流通路中可將Re視為短路，因此長(zhǎng)尾式差分放大電路的交流通路如圖1.4.2-C所示。圖中RL為接在兩個(gè)三極管集電極之間的負(fù)載電阻。當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)，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(diǎn)處的電位保持不變，也就是說(shuō)，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=△△ic1=β△iB1則△uc1=-△ic1（Rc//RL2）=-β同理△uc2=-△ic2（Rc//RL2）=-故輸出電壓為：△uo=△uc1-△uc2=-β（RC//RL2)R+則差模電壓放大倍數(shù)為：Ad=△Uo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=2Rc1.4.3仿真電路模型的理論計(jì)算在長(zhǎng)尾式差分放大電路中，為了使在兩側(cè)的參數(shù)不完全對(duì)稱的情況下能使靜態(tài)時(shí)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(jì)算：在圖1.4.3-A所示的放大電路，已知VCC=VEE=12V，三極管的β1=β2=β=50，Rc1=Rc2=Rc=30kΩ，Re=27kΩ，R1=R2=R=10kΩ，RW=500Ω,且設(shè)RW的滑動(dòng)端調(diào)在中間位置，負(fù)載電阻RL=27kΩ，eq\o\ac(○,1)試估算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q；eq\o\ac(○,2)估算差模電壓放大倍數(shù)Ad；eq\o\ac(○,3)估算差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro。圖1.4.3-A解：eq\o\ac(○,1)由三極管的基極回路可得IBQ=VEE-U則ICQ≈βIBQ=50×0.004mA=0.2mAUCQ=VCC-ICQRC=（12-0.2×30）V=6VUBQ=-IBQR=（-0.004×10）V=-0.04V=-40mVeq\o\ac(○,2)為了估算Ad，需先畫(huà)出放大電路的交流通路。長(zhǎng)尾電阻Re引入一個(gè)共模負(fù)反饋，故對(duì)差模電壓放大倍數(shù)Ad沒(méi)有影響。但調(diào)位電位器RW中只流過(guò)一個(gè)三極管的電流，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=-β其中RL’=Rc∥RL2=30×202rbe=rbb‘+(1+β)26（mV）IEQ=（300+51×260.2Ad=-50×則eq\o\ac(○,3)Rid=2[R+rbe+（1+β）Rw2]=2×(10+6.93+51×0.5×0.5）kΩRo=2Rc=2×30kΩ=60kΩ1.5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(jì)算eq\o\ac(○,1)利用Multisim的直流工作點(diǎn)分析功能測(cè)量放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。分析可以得到圖1.5.1-A的結(jié)果。可知UCQ1=UCQ2=5.80487V（對(duì)地）UBQ1=UBQ2=-42.16825mV（對(duì)地）則ICQ1=ICQ2=VCC-Ueq\o\ac(○,2)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。eq\o\ac(○,3)當(dāng)Ui=10mV（即Ui1=5mV，Ui2=-5mV）時(shí)，由虛擬儀表測(cè)得Uo=126.274mV，Ii=172.536nA（圖1.5.1.C），則Ad=-UoUiRi=UiIi=10172.536×將負(fù)載電阻RL開(kāi)路，測(cè)得Uo’=486.468mV（圖5.1-D）則Ro=（Uo'Uo-1）RL=(486.468126.274-1)×1.5.3仿真結(jié)果與理論估算的比較(一)靜態(tài)比較1理論計(jì)算數(shù)據(jù)：eq\o\ac(○,1)ICQ=0.2mAeq\o\ac(○,2)UCQ=6Veq\o\ac(○,3)UBQ=-40mV2仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：eq\o\ac(○,1)ICQ=ICQ1=ICQ2=0.207mAeq\o\ac(○,2)UCQ=UCQ1=UCQ2=5.80487V（對(duì)地）eq\o\ac(○,3)UBQ=UBQ1=UBQ2=-42.16825mV（對(duì)地）3數(shù)據(jù)之差的絕對(duì)值：eq\o\ac(○,1)△ICQ=|0.2-0.207|=0.007mA△ICQ%=|0.0070.2|×100%=3.5%eq\o\ac(○,2)△UCQ=|6-5.80487|=0.19513V△UCQ%=|0.195136|×100%=3.3%eq\o\ac(○,3)△UBQ=|-40–(-42.16825)|=2.16825mV△UBQ%=|2.16825-40|×100%=5.4%4分析：仿真結(jié)果與理論計(jì)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(duì)整體的靜態(tài)分析，因?yàn)槔碚摲治鲋写嬖诠浪?，所以有所誤差在所難免。（二）動(dòng)態(tài)比較1理論計(jì)算數(shù)據(jù)：eq\o\ac(○,1)Ad=-12.6eq\o\ac(○,2)Rid≈59.4kΩeq\o\ac(○,3)Ro=60kΩ2仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：eq\o\ac(○,1)Ad=-12.6274eq\o\ac(○,2)Rid=57.969kΩeq\o\ac(○,3)Ro=57.050kΩ3數(shù)據(jù)之差的絕對(duì)值：eq\o\ac(○,1)△Ad=|(-12.6)–(-12.6274)|=0.0274△Ad%=|0.0274-12.6|×100%=0.2%eq\o\ac(○,2)△Rid=|59.4–57.969|=1.431kΩ△Rid%