差分放大電路仿真分析報告

1、差分放大電路仿真分析差分放大電路是集成運算放大器的主要單元電路之一， 它具有很強的抑制零 點漂移的能力。作為集成運算放大器的輸入級，差分放大電路幾乎完全決定著集 成運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)由兩個參數(shù)完全相同的晶體管組成，電路結(jié)構(gòu)對稱。電路具 有兩個輸入端和兩個輸出端，因此差分放大電路具有四種形式：單端輸入單端輸 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。實驗內(nèi)容：一、理想差分放大電路1繪制電路圖啟動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，

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

3、，設置如下：保存設置，啟動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，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答個節(jié)點電壓：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：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的電 路特性。將分析類型設為交流掃描分析AC Sweep選擇 PSpice | New SimulationProfile 功能選項或單擊二按鈕，打開New Simulation 對話框，在Name文本 框中輸入 AC單擊Create按鈕，彈出Simulation Se

11、ttings-AC 對話框，設置 如下：啟動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窗口中設置如下圖，即觀察單端輸出時的電壓增益： V(OUT1)/ (V(VS+:+)-V(Vs-:+)。再次彈出Add Trace窗口，設置仿真輸出變量為雙端電壓增益，表達式為： (V(OUT1)-V(OUT2)/(V(VS+:+)-V(Vs-:+)，結(jié)果如下圖。利用光標工具Cusor測得單端輸出時的差模電壓增益正好是雙端輸出時的一半。由于差分放大電路的兩邊完全對稱，所以兩個輸出端輸出的是幅度相同，相位相差180度的信號。

12、圖中可以測得兩條曲線的上行截止頻率相同。對于雙端輸入的共模特性分析如下：對電路圖中信號源VS-的AC屬性改為10mV其它與信號源VS一樣，這樣就 相當于在兩個輸入端上加了相同的信號。分析類型仍然為交流掃描分析。啟動 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窗口中設置如下圖，即觀察單端輸出時的電壓增益：V(OUT1)/V(VS+:+)。再次彈出Add Trace窗口，設置仿真輸出變量為雙端電壓增益，表達式為： (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的共模電壓增益也很小。隨著頻率的增加，共模電壓增益會急劇增加，增加到一定程度后不會再有劇 烈的增減，但無論如何這個小于1。4、單端輸入時的基本特性在差分放大電路中如果輸入信號是通過在兩個輸入端加上大小相等、相位相反的信號，則稱為雙端輸入，如果輸入信號是從一端接入，而另一端輸入信號為 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 功能選項或單擊仝1按鈕分別在 OUT1和 OUT2各放置一個電壓探針，再選擇PSpice | Markers | Voltag

14、eDiffere ntial功能選項，觀察兩個節(jié)點之間的電壓差，將正端放置在OUT1負端放置在OUT2結(jié)果如下圖：分析類型選擇交流掃描分析ACSweep分析設置與前面的雙端輸入時分析差 模電壓增益時一樣。啟動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功能選項或單擊一按鈕，打開 New Simulation 對話框，在 Name文

15、本框中輸入 Tran ,單擊 Create 按鈕，彈出Simulation Setti ngs-Tra n 對話框，設置如下：防止探針同上，啟動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，而且在直流輸出時具有直流偏移，這個直流偏移是由兩個晶體管Q1和Q2的的靜態(tài)電壓偏置電壓引起的。而在雙端輸出時，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，而且單端輸出時的放大倍數(shù)是雙端輸出時的一半。二、非

16、理想對稱的差分放大電路在實際的差分放大電路中往往很難實現(xiàn)電路的完全對稱，由于配對晶體管參數(shù)失配和集電極負載電阻Rc的失配而使差分放大電路的性能變差，主要表現(xiàn)為： 當輸入加差模信號時輸出會產(chǎn)生共模分量，當輸入加共模信號分量時輸出會產(chǎn)生 差模分量。如果下一級也是差分放大電路，這種差模輸入一共模輸出的轉(zhuǎn)換將對 整個放大電路的性能產(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，即修改 RS2的AC為-10mV其余項與

17、RS1相同。在OUT與OUT2端分別放置一個電壓探針，進行交流小信號分析。啟動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使用貫標工具Cursor可測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多級差分放大電路對的影響不大F面討論共模輸入一差模輸出的電路特性。修改輸入信號源VS+和VS-的AC項都為1V,進行交流小信號分析設置。設置與前面