差分放大電路仿真分析

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、輸入失調特性和噪聲特性。差分放大電路經由兩個參數完全相同的晶體管組成，電路結構對稱。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+的圖標，在彈出的窗

2、口中設置AC為10mV，DC為0V，VOFF為0，VAMPL為10m，VFREQ1kHz。VS-的設置除AC為-10mV外，其余均與VS+同。2、直流工作點分析選擇Spice | New Simulation Profile功能選項或單擊按鈕，打開New Simulation對話框，在Name文本框中輸入Bias，單擊 Create按鈕，彈出Simulation Settings-Bias對話框，設置如下：保存設置，啟動PSpice A/D仿真程序，調出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。在Captur

3、e CIS窗口中，單擊I 、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：3、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 Simulation Profile功能選項或單擊按鈕，打開New Simulation對話框，在Name文本框中輸入AC，單擊 Create按鈕，彈出Simulation Settings-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 Tr

4、ace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。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

5、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+:+)，結果如下圖。雙端輸出的共模電壓增益為零。在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

6、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、VAMPL及FREQ屬性均該為零。選擇PSpice | Markers | Voltage Level 功能選項或單擊按鈕分別在OUT1和OUT2各放置一個電壓探針，再選擇PSpice | Markers | Voltage Differential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，結果如下圖：分析類型選擇交流掃描分析AC Sweep。分析設置與前面的雙端輸入時分析

7、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：圖中可以看到三條曲線，使用工具Cusor 測得輸出端OUT1和OUT2的輸出電壓均為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)波形和相位關系。選擇PSpice | New Simulation Profile功能選項或單擊按鈕，打開New Simulation對話框，在Name文本框中輸入Tran，單擊 Create按鈕，彈出Simulation Settings-Tran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O

8、UT1和OUT2的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(OUT1、OUT2)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，放大倍數就相等，而且單端輸出時的放大倍數是雙端輸出時的一半。二、非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電路的完全對稱，由于配對晶體管參數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，主要表現為：當輸入加差模信號時輸出會產生共模分量，當輸入加共模信號

9、分量時輸出會產生差模分量。如果下一級也是差分放大電路，這種差模輸入共模輸出的轉換將對整個放大電路的性能產生不利影響。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RS1相同。在OUT1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：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。下面討論共模輸入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。設置與前面理想差分放大電路中的雙端輸入的分析相同。輸出的共模信號在經過下一級差分放大電路時經過強烈的抑制作用使其迅速衰減，而輸出的差模信號時下一級差分放大電路的輸入信號，會被放大傳送到輸出端，這點影響很大。通過分析表明，對于非理想對稱