東南大學(xué) 信息學(xué)院 電子線路 模電實(shí)驗(yàn)四報(bào)告-差分放大器word版

1、實(shí)驗(yàn)四 差分放大器姓名： 學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 掌握差分放大器偏置電路的分析和設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容：一、 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)根據(jù)圖4-1所示電路，計(jì)算該電路的性能參數(shù)。已知晶體管的導(dǎo)通電壓VBE(on)=0.55, =500，|VA|=150 V，試求該電路中晶體管的靜態(tài)電流ICQ，節(jié)點(diǎn)1和2的直流電壓V1、V2，晶體管跨導(dǎo)gm，差模輸入阻抗Rid，差模電壓增益Avd，共模電壓增益Avc和共模抑制比KCMR，請(qǐng)寫(xiě)出詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，并完成表4-1。圖4-1. 差分放大器實(shí)驗(yàn)電路表4-1：ICQ（mA）V1（V）V

2、2（V）gm（mS）Rid（k）AvdAvcKCMR18.28.238.520.3-261.8-3.438.5二、仿真實(shí)驗(yàn)1. 在Multisim中設(shè)計(jì)差分放大器，電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖4-1所示，進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析（DC分析），得到電路的工作點(diǎn)電流和電壓，完成表4-2，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。表4-2：ICQ（mA）V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）0.9975658.2198.2191.9982.6472.548仿真設(shè)置：Simulate Analyses DC Operating Point，設(shè)置需要輸出的電壓或者電流。2. 在圖4-1所示電路中，固定輸入信號(hào)頻率為10kHz，輸入

3、不同信號(hào)幅度時(shí)，測(cè)量電路的差模增益。采用Agilent示波器（Agilent Oscilloscope）觀察輸出波形，測(cè)量輸出電壓的峰峰值（peak-peak），通過(guò)“差模輸出電壓峰峰值/差模輸入電壓峰峰值”計(jì)算差模增益Avd，用頻譜儀器觀測(cè)節(jié)點(diǎn)1的基波功率和諧波功率，并完成表4-3。表4-3：輸入信號(hào)單端幅度（mV）11020Avd-239.23-229.25-208 基波功率P1(dBm)-24.021-5.417-0.474二次諧波功率P2(dBm)-91.635-52.095-40.529三次諧波功率P3(dBm)-96.405-41.272-25.723仿真設(shè)置：Simulate R

4、un，也可以直接在Multisim控制界面上選擇運(yùn)行。在示波器中觀察差模輸出電壓可以采用數(shù)學(xué)運(yùn)算方式顯示，即用1通道信號(hào)減2通道信號(hào)，設(shè)置見(jiàn)圖4-2。顯示設(shè)置按鈕可以設(shè)置數(shù)學(xué)運(yùn)算模式下的示波器顯示參數(shù)，見(jiàn)圖4-3，采用圖中所示顯示調(diào)節(jié)按鈕可以分別調(diào)節(jié)Scale和Offset。輸入信號(hào)單端幅度1mV時(shí)的輸出波形：輸入信號(hào)單端幅度10mV時(shí)的輸出波形：輸入信號(hào)單端幅度20mV時(shí)的輸出波形：思考： 輸入幅度1mV時(shí)，表4-3中的數(shù)據(jù)Avd和計(jì)算結(jié)果一致嗎？若有差異，請(qǐng)解釋差異主要來(lái)自什么方面？ 表4-3中的Avd在不同輸入信號(hào)幅度的時(shí)候一樣嗎？若不一樣，請(qǐng)解釋原因？答：不一致，產(chǎn)生差異的原因可能是如

5、下幾點(diǎn)： I在計(jì)算理論值時(shí)，沒(méi)有考慮到基區(qū)寬度調(diào)至效應(yīng)，忽略了，所以理論值與仿真值存在差異。在計(jì)算時(shí)，因?yàn)橹当容^大，又忽略了與的差別。 II電阻rbe的仿真時(shí)候的值并非準(zhǔn)確的等于VT/IBQ,可能有所偏差； III當(dāng)VID足夠小時(shí)，在原點(diǎn)附近VID的很小變化范圍內(nèi)差模傳輸特性曲線可以看作 是一段直線，直線的斜率為gm,但是事實(shí)上并不是一條直線，則gm=的值也隨著 VID的不同而略有變化。并且差模電壓增益為Avd=-gmRc，gm的不同會(huì)造成Avd的 偏差。 不一樣，可能是因?yàn)椤．?dāng)VID足夠小時(shí)，在原點(diǎn)附近VID的很小變化范圍內(nèi)差模傳輸特性曲線可以看作是一段直線，直線的斜率為gm,但是事實(shí)上并不

6、是一條直線，則gm=的值也隨著VID的不同而略有變化。并且差模電壓增益為Avd=-gmRc，gm的不同會(huì)造成Avd的偏差。此外，當(dāng)信號(hào)幅度增大時(shí)，對(duì)直流工作點(diǎn)有影響，增益不同，而且信號(hào)幅度越大，失真越嚴(yán)重，產(chǎn)生更多的高頻諧波。3. 在圖4-1所示電路中，將輸入信號(hào)V2的信號(hào)幅度設(shè)置為10mV(Vpk，單端信號(hào)幅度)，頻率為10kHz，輸入信號(hào)V3的信號(hào)幅度設(shè)置為0，仿真并測(cè)量輸出信號(hào)幅度。若輸出信號(hào)V1和V2的幅度不一致，請(qǐng)解釋原因，并寫(xiě)出詳細(xì)的計(jì)算和分析過(guò)程，計(jì)算過(guò)程可以直接采用表4-1中的性能參數(shù)。答: 實(shí)際測(cè)得輸出電壓峰峰值為2.32V和2.39V，稍有不同。原因可能是，測(cè)量單端輸出電壓

7、時(shí)需要考慮共模的增益,而雙端輸出時(shí),不需要考慮共模的增益,而共模增益帶來(lái)了幅度的略微差別。 將輸入信號(hào)分解為差模和共模信號(hào)之后，因?yàn)椴钅Ｐ盘?hào)對(duì)于兩邊是大小相等方向相反的，而且差模增益比較大，所以決定了主要的輸出信號(hào)的波形，即峰峰值大小相近，相位差180度，而共模信號(hào)雖然是大小相等方向相同，但因?yàn)楣材Ｔ鲆姹容^小，所以對(duì)輸出的波形影響比較小，形成了兩信號(hào)的略微幅度上的略微的不一致。 計(jì)算過(guò)程如下：由計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),兩輸出端的輸出信號(hào)幅度存在差異,方向相反,與仿真結(jié)果一致仿真設(shè)置：Simulate Run，也可以直接在Multisim控制界面上選擇運(yùn)行，通過(guò)Agilent示波器測(cè)量輸出波形幅度。4.

8、在圖4-1所示電路中，將輸入信號(hào)V2和V3設(shè)置成共模輸入信號(hào)信號(hào)頻率10kHz，信號(hào)幅度10mV，相位都為0，仿真并測(cè)量輸出信號(hào)的幅度，計(jì)算電路的共模增益，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。計(jì)算值由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)部分可知為：=-3.4， 仿真值為：=-3.34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(qǐng)給出電路圖，并通過(guò)仿真得到電路的共模增益和差模增益。仿真設(shè)置：Simulate Run，也可以直接在Multisim控制界面上選擇運(yùn)行，通過(guò)Agilent示波器測(cè)量輸出波形幅度。差模增益Avd=230.75 ，共模增益Avc=4.208 共模抑制比為：KCMR=2

9、7418.01。5. 采用圖4-4所示電路對(duì)輸入直流電壓源V2進(jìn)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實(shí)驗(yàn)電路1 電壓掃描范圍2.35V2.75V，掃描步進(jìn)1mV，得到電阻R2和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)中點(diǎn)附近測(cè)量其斜率，得到差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照（VBE(on)=0.55, =500）；計(jì)算圖示曲線斜率得，gm=0.00952S計(jì)算得：gm=0.0385S 若將V3電壓改為1V，再掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V1.2V，掃描步進(jìn)1mV，與中一樣，通過(guò)仿真得到差模傳輸特性，在傳輸特性的線性

10、區(qū)測(cè)量差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。計(jì)算圖示曲線斜率得，gm=0.00233S計(jì)算得到的gm=0.00864S 若將圖4-4中的電阻R1改為理想直流電流源，如圖4-5所示。與中一樣，固定V3電壓為1V，掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V1.2V，掃描步進(jìn)1mV，通過(guò)仿真得到差模傳輸特性，并與中仿真結(jié)果對(duì)照，指出二者結(jié)果的異同并給出解釋。圖4-5. 差分放大器傳輸特性實(shí)驗(yàn)電路2計(jì)算圖示曲線斜率得，gm=0.00992S計(jì)算得到的gm=0.0384S思考：a. 在仿真任務(wù)中，若V2的電壓掃描范圍改為0V15V，測(cè)量電源電壓V2和V3中的電流，即三極管的基極電流，與理論分析一致嗎？參考硬件實(shí)驗(yàn)中

11、給出的MAT02EH內(nèi)部電路，給出解釋。硬件實(shí)驗(yàn)中，由于誤操作，三極管基極可能接地或者接電源，若電流過(guò)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(guò)大？答：不一致，因?yàn)榛鶚O電壓過(guò)大,導(dǎo)致MAT02EH中的BE兩點(diǎn)之間的二極管被擊穿，基極電流從而不斷變大。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以在接入差分對(duì)管之前，先測(cè)定基極的電壓強(qiáng)度，若明顯過(guò)大則調(diào)整至合適的電壓時(shí)再接入差分對(duì)管。b. 比較仿真任務(wù)和，差模輸出電流隨V2的變化趨勢(shì)一樣嗎？若有差異，原因是什么？答：變化趨勢(shì)一樣，但斜率不同。因?yàn)樵O(shè)置的基極電壓工作點(diǎn)不同，導(dǎo)致直流工作點(diǎn)的電 流不同，一個(gè)為1mA，一個(gè)為0.5mA，使得輸出電流的大小有很大的差別。仿

12、真設(shè)置：Simulate Analyses DC Operating Point，設(shè)置掃描電壓源及掃描范圍和步進(jìn)，需要輸出的電壓或者電流。差模電流通過(guò)表達(dá)式計(jì)算得到，設(shè)置界面見(jiàn)圖4-6。在仿真結(jié)果中通過(guò)標(biāo)尺完成測(cè)量，設(shè)置如下：Grapher view Cursor Show Cursor，然后拖動(dòng)標(biāo)尺測(cè)量。圖4-6. 差模輸出電流的設(shè)置三、 硬件實(shí)驗(yàn)1. 按照?qǐng)D4-7所示的myDAQ連接示意圖在面包板上設(shè)計(jì)電路，并進(jìn)行測(cè)試和分析。示意圖中，+15V提供電源，AO-0和AO-1是兩路輸入信號(hào)，必須保證差分輸入，AI-0+和AI-1+是差分放大器的兩路輸出信號(hào)，接入myDAQ進(jìn)行分析和顯示，AI-

13、0-和AI-1-需要接地。差分對(duì)管MAT02EH的管腳分布如圖4-8所示，封裝形式為T(mén)O-78，可以參閱該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)。圖4-7. 差分放大器硬件實(shí)驗(yàn)電路及myDAQ連接示意圖圖4-8. MAT02EH管腳圖 測(cè)量電路的直流工作點(diǎn)，完成表4-4。表4-4：V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）7.927.932.052.682.63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：不一樣，原因可能是MAT02EH管并非完全對(duì)稱(chēng)的，電路搭設(shè)時(shí)兩邊所使用導(dǎo)線排布也非完全對(duì)稱(chēng)的?？梢栽陔妷旱偷牡胤郊右粋€(gè)補(bǔ)償電壓，或者抬高電壓高的

14、地方的電阻，降低其電壓。或者在電路中接入可變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，與其中一只6.8K電阻串聯(lián)，直到把直流電壓V1和V2調(diào)成一致。 按照?qǐng)D4-9所示，采用myDAQ任意波形發(fā)生器產(chǎn)生差分信號(hào)，并測(cè)量輸出波形。按照?qǐng)D示設(shè)置完成后，選擇file save as存儲(chǔ)波形文件，在后續(xù)的彈出窗口中文件格式選擇wdt，點(diǎn)擊NEXT后的參數(shù)取缺省值。將圖4-9中的波形設(shè)置部分的相位改為180后再存一個(gè)wdt波形文件，得到兩個(gè)等幅反相的差模信號(hào)。然后在任意波形發(fā)生器打開(kāi)已存儲(chǔ)的兩個(gè)波形文件，并點(diǎn)擊run得到實(shí)際的輸出信號(hào)。輸入差模信號(hào)后，通過(guò)示波器同時(shí)觀測(cè)兩路輸出波形，示波器界面如圖4-10所示。設(shè)置合理的顯示參數(shù)并截

15、圖，根據(jù)截圖數(shù)據(jù)中的波形峰峰值計(jì)算電路的差模增益。請(qǐng)?zhí)峤惠斎胄盘?hào)單端振幅分別為5mV和10mV時(shí)的兩路差分輸出波形，并分別計(jì)算差分增益，信號(hào)頻率都為10kHz。振幅：5mV差模信號(hào)雙端輸出電壓(峰峰值):差模信號(hào)雙端輸入電壓（峰峰值）：差模信號(hào)增益：振幅：10mV差模信號(hào)雙端輸出電壓(峰峰值):差模信號(hào)雙端輸入電壓（峰峰值）：差模信號(hào)增益： 將兩路輸入信號(hào)改為相同的信號(hào)，頻率10kHz，振幅為10mV，得到兩路輸出信號(hào)的波形并提交截圖。由于實(shí)驗(yàn)儀器的精度有限，不能得到準(zhǔn)確的共模輸出信號(hào)波形，但是可以粗略看出兩輸出信號(hào)相位相同，幅度相似。2. 差模傳輸特性 按照?qǐng)D4-11所示電路在面包板上設(shè)計(jì)電

16、路，并測(cè)試差模傳輸特性。圖中R7為20k30k可變電阻。AO-1采用myDAQ任意波形發(fā)生器產(chǎn)生2.55V直流電壓，產(chǎn)生方法參考硬件實(shí)驗(yàn)1（先編輯生成wdt文件）。圖4-11. 差模傳輸特性硬件實(shí)驗(yàn)電路及myDAQ連接示意圖 R4=R5=1 k, 手動(dòng)調(diào)節(jié)可變電阻R7，逐點(diǎn)測(cè)量節(jié)點(diǎn)8電壓，節(jié)點(diǎn)4及節(jié)點(diǎn)7的電壓差（通過(guò)該電壓差計(jì)算差模電流），在2.55V附件步長(zhǎng)可以取小一點(diǎn)，提高測(cè)量精度，過(guò)了限幅區(qū)步長(zhǎng)可以增加。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，以節(jié)點(diǎn)8電壓為X軸，差模輸出電流為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(cè)量其斜率，即放大器跨導(dǎo)。R4=R5=1k時(shí)：v8/V差模輸出電流/A2.11-0.0

17、01862.20-0.001862.30-0.001862.40-0.001852.45-0.00172.46-0.001632.48-0.00152.49-0.001392.50-0.001152.51-0.000972.52-0.000772.53-0.000552.54-0.000412.55-0.000112.560.00022.570.0006282.580.0010092.590.0011652.600.0013942.610.0015662.620.0017152.640.001735取中間兩點(diǎn)，求出跨導(dǎo)gm=30.5mS R4=R5=47 k, 重復(fù)中的測(cè)量，并得到差模傳輸特性

18、及其斜率。根據(jù)和的測(cè)量結(jié)果，對(duì)比分析串聯(lián)電阻對(duì)差模傳輸特性的影響，并給出理論分析過(guò)程。R4=R5=47k時(shí)：v8/V差模輸出電流/A2.11-0.001672.16-0.001672.20-0.001652.28-0.001512.34-0.001282.38-0.001012.43-0.000722.45-0.000622.46-0.000582.48-0.000472.49-0.000392.50-0.000352.51-0.000252.52-0.000162.53-9.4E-052.54-1.9E-052.567.06E-052.570.0001432.580.0002012.590.

19、0002752.620.0005252.660.0007352.700.0010152.770.0013932.800.0015562.820.0017092.840.001712取中間兩點(diǎn)，求出跨導(dǎo)gm=5.490mS思考：若固定電阻R7=26.8 k，在2V3V范圍內(nèi)逐漸改變節(jié)點(diǎn)5電壓（可以采用myDAQ中的FGEN-Function Generator產(chǎn)生連續(xù)不同的直流電壓），同樣在R4=R5=1 k 和R4=R5=47 k兩種條件下，可同得到兩種差模傳輸特性及相應(yīng)的傳輸特性斜率，這兩種斜率之間的倍數(shù)關(guān)系和實(shí)驗(yàn)與之間的倍數(shù)關(guān)系相同嗎？為什么？固定電阻R7=26.8 k，R4=R5=1 k時(shí)：V5/V差模輸出電/A20.0018682.240.0018662.360.0018632.480.001852.50.0017472.520.0016252.540.0014542.560.0012352.580.0009692.60.0006762.620.0003622.643.09E-052.66-0.00032.68-0.000632.7