東南大學(xué)信息學(xué)院電子線路模電實驗四報告-差分放大器word版

實驗四差分放大器姓名：學(xué)號：實驗?zāi)康模赫莆詹罘址糯笃髌秒娐返姆治龊驮O(shè)計方法；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；掌握差分放大器差模傳輸特性。實驗內(nèi)容：實驗預(yù)習(xí)根據(jù)圖4-1所示電路，計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,β=500，|VA|=150V，試求該電路中晶體管的靜態(tài)電流ICQ，節(jié)點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，請寫出詳細的計算過程，并完成表4-1。圖4-1.差分放大器實驗電路表4-1：ICQ（mA）V1（V）V2（V）gm（mS）Rid（kΩ）AvdAvcKCMR18.28.238.520.3-261.8-3.438.5二、仿真實驗1.在Multisim中設(shè)計差分放大器，電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖4-1所示，進行直流工作點分析（DC分析），得到電路的工作點電流和電壓，完成表4-2，并與計算結(jié)果對照。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→DCOperatingPoint，設(shè)置需要輸出的電壓或者電流。2.在圖4-1所示電路中，固定輸入信號頻率為10kHz，輸入不同信號幅度時，測量電路的差模增益。采用Agilent示波器（AgilentOscilloscope）觀察輸出波形，測量輸出電壓的峰峰值（peak-peak），通過“差模輸出電壓峰峰值/差模輸入電壓峰峰值”計算差模增益Avd，用頻譜儀器觀測節(jié)點1的基波功率和諧波功率，并完成表4-3。表4-3：輸入信號單端幅度（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→Run，也可以直接在Multisim控制界面上選擇運行。在示波器中觀察差模輸出電壓可以采用數(shù)學(xué)運算方式顯示，即用1通道信號減2通道信號，設(shè)置見圖4-2。顯示設(shè)置按鈕可以設(shè)置數(shù)學(xué)運算模式下的示波器顯示參數(shù)，見圖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。輸入信號單端幅度1mV時的輸出波形：輸入信號單端幅度10mV時的輸出波形：輸入信號單端幅度20mV時的輸出波形：思考：eq\o\ac(○,1)輸入幅度1mV時，表4-3中的數(shù)據(jù)Avd和計算結(jié)果一致嗎？若有差異，請解釋差異主要來自什么方面？eq\o\ac(○,2)表4-3中的Avd在不同輸入信號幅度的時候一樣嗎？若不一樣，請解釋原因？答：eq\o\ac(○,1)不一致，產(chǎn)生差異的原因可能是如下幾點：I在計算理論值時，沒有考慮到基區(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。在計算時，因為β值比較大，又忽略了與的差別。II電阻rbe的仿真時候的值并非準確的等于VT/IBQ,可能有所偏差；III當(dāng)VID足夠小時，在原點附近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的不同會造成Avd的偏差。eq\o\ac(○,2)不一樣，可能是因為。當(dāng)VID足夠小時，在原點附近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的不同會造成Avd的偏差。此外，當(dāng)信號幅度增大時，對直流工作點有影響，增益不同，而且信號幅度越大，失真越嚴重，產(chǎn)生更多的高頻諧波。在圖4-1所示電路中，將輸入信號V2的信號幅度設(shè)置為10mV(Vpk，單端信號幅度)，頻率為10kHz，輸入信號V3的信號幅度設(shè)置為0，仿真并測量輸出信號幅度。若輸出信號V1和V2的幅度不一致，請解釋原因，并寫出詳細的計算和分析過程，計算過程可以直接采用表4-1中的性能參數(shù)。答:實際測得輸出電壓峰峰值為2.32V和2.39V，稍有不同。原因可能是，測量單端輸出電壓時需要考慮共模的增益,而雙端輸出時,不需要考慮共模的增益,而共模增益帶來了幅度的略微差別。將輸入信號分解為差模和共模信號之后，因為差模信號對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的波形，即峰峰值大小相近，相位差180度，而共模信號雖然是大小相等方向相同，但因為共模增益比較小，所以對輸出的波形影響比較小，形成了兩信號的略微幅度上的略微的不一致。計算過程如下：由計算可以發(fā)現(xiàn),兩輸出端的輸出信號幅度存在差異,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控制界面上選擇運行，通過Agilent示波器測量輸出波形幅度。在圖4-1所示電路中，將輸入信號V2和V3設(shè)置成共模輸入信號——信號頻率10kHz，信號幅度10mV，相位都為0°，仿真并測量輸出信號的幅度，計算電路的共模增益，并與計算結(jié)果對照。計算值由實驗預(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？請給出電路圖，并通過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控制界面上選擇運行，通過Agilent示波器測量輸出波形幅度。差模增益Avd=230.75，共模增益Avc=4.208共模抑制比為：KCMR=27418.01。采用圖4-4所示電路對輸入直流電壓源V2進行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驗電路1eq\o\ac(○,1)電壓掃描范圍2.35V~2.75V，掃描步進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)中點附近測量其斜率，得到差分放大器的跨導(dǎo)，并與計算結(jié)果對照（VBE(on)=0.55,β=500）；計算圖示曲線斜率得，gm=0.00952S計算得：gm=0.0385Seq\o\ac(○,2)若將V3電壓改為1V，再掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V~1.2V，掃描步進1mV，與eq\o\ac(○,1)中一樣，通過仿真得到差模傳輸特性，在傳輸特性的線性區(qū)測量差分放大器的跨導(dǎo)，并與計算結(jié)果對照。計算圖示曲線斜率得，gm=0.00233S計算得到的gm=0.00864Seq\o\ac(○,3)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eq\o\ac(○,2)中一樣，固定V3電壓為1V，掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V~1.2V，掃描步進1mV，通過仿真得到差模傳輸特性，并與eq\o\ac(○,2)中仿真結(jié)果對照，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驗電路2計算圖示曲線斜率得，gm=0.00992S計算得到的gm=0.0384S思考：在仿真任務(wù)eq\o\ac(○,1)中，若V2的電壓掃描范圍改為0V~15V，測量電源電壓V2和V3中的電流，即三極管的基極電流，與理論分析一致嗎？參考硬件實驗中給出的MAT02EH內(nèi)部電路，給出解釋。硬件實驗中，由于誤操作，三極管基極可能接地或者接電源，若電流過大，可能導(dǎo)致晶體管損壞，如何避免這種誤操作導(dǎo)致的基極電流過大？答：不一致，因為基極電壓過大,導(dǎo)致MAT02EH中的BE兩點之間的二極管被擊穿，基極電流從而不斷變大。實驗時，可以在接入差分對管之前，先測定基極的電壓強度，若明顯過大則調(diào)整至合適的電壓時再接入差分對管。比較仿真任務(wù)eq\o\ac(○,1)和eq\o\ac(○,2)，差模輸出電流隨V2的變化趨勢一樣嗎？若有差異，原因是什么？答：變化趨勢一樣，但斜率不同。因為設(shè)置的基極電壓工作點不同，導(dǎo)致直流工作點的電流不同，一個為1mA，一個為0.5mA，使得輸出電流的大小有很大的差別。仿真設(shè)置：Simulate→Analyses→DCOperatingPoint，設(shè)置掃描電壓源及掃描范圍和步進，需要輸出的電壓或者電流。差模電流通過表達式計算得到，設(shè)置界面見圖4-6。在仿真結(jié)果中通過標(biāo)尺完成測量，設(shè)置如下：Grapherview→Cursor→ShowCursor，然后拖動標(biāo)尺測量。圖4-6.差模輸出電流的設(shè)置三、硬件實驗1.按照圖4-7所示的myDAQ連接示意圖在面包板上設(shè)計電路，并進行測試和分析。示意圖中，+15V提供電源，AO-0和AO-1是兩路輸入信號，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，接入myDAQ進行分析和顯示，AI-0-和AI-1-需要接地。差分對管MAT02EH的管腳分布如圖4-8所示，封裝形式為TO-78，可以參閱該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊。圖4-7.差分放大器硬件實驗電路及myDAQ連接示意圖圖4-8.MAT02EH管腳圖eq\o\ac(○,1)測量電路的直流工作點，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管并非完全對稱的，電路搭設(shè)時兩邊所使用導(dǎo)線排布也非完全對稱的。可以在電壓低的地方加一個補償電壓，或者抬高電壓高的地方的電阻，降低其電壓?；蛘咴陔娐分薪尤肟勺冸娮柽M行調(diào)節(jié)，與其中一只6.8KΩ電阻串聯(lián)，直到把直流電壓V1和V2調(diào)成一致。eq\o\ac(○,2)按照圖4-9所示，采用myDAQ任意波形發(fā)生器產(chǎn)生差分信號，并測量輸出波形。按照圖示設(shè)置完成后，選擇file→saveas存儲波形文件，在后續(xù)的彈出窗口中文件格式選擇wdt，點擊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wdt波形文件，得到兩個等幅反相的差模信號。然后在任意波形發(fā)生器打開已存儲的兩個波形文件，并點擊run得到實際的輸出信號。輸入差模信號后，通過示波器同時觀測兩路輸出波形，示波器界面如圖4-10所示。設(shè)置合理的顯示參數(shù)并截圖，根據(jù)截圖數(shù)據(jù)中的波形峰峰值計算電路的差模增益。請?zhí)峤惠斎胄盘枂味苏穹謩e為5mV和10mV時的兩路差分輸出波形，并分別計算差分增益，信號頻率都為10kHz。振幅：5mV差模信號雙端輸出電壓(峰峰值):差模信號雙端輸入電壓（峰峰值）：差模信號增益：振幅：10mV差模信號雙端輸出電壓(峰峰值):差模信號雙端輸入電壓（峰峰值）：差模信號增益：eq\o\ac(○,3)將兩路輸入信號改為相同的信號，頻率10kHz，振幅為10mV，得到兩路輸出信號的波形并提交截圖。由于實驗儀器的精度有限，不能得到準確的共模輸出信號波形，但是可以粗略看出兩輸出信號相位相同，幅度相似。2.差模傳輸特性按照圖4-11所示電路在面包板上設(shè)計電路，并測試差模傳輸特性。圖中R7為20kΩ~30kΩ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)生方法參考硬件實驗1（先編輯生成wdt文件）。圖4-11.差模傳輸特性硬件實驗電路及myDAQ連接示意圖eq\o\ac(○,1)R4=R5=1kΩ,手動調(diào)節(jié)可變電阻R7，逐點測量節(jié)點8電壓，節(jié)點4及節(jié)點7的電壓差（通過該電壓差計算差模電流），在2.55V附件步長可以取小一點，提高測量精度，過了限幅區(qū)步長可以增加。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，以節(jié)點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附近測量其斜率，即放大器跨導(dǎo)。R4=R5=1kΩ時：v8/V差模輸出電流/A2.11-0.001862.20-0.001862.30-0.001862.40-0.001852.45-0.00172.46-0.001632.48-0.00152.49-0.001392.50-0.001152.51-0.000972.52-0.000772.53-0.000552.54-0.000412.55-0.000112.560.00022.570.0006282.580.0010092.590.0011652.600.0013942.610.0015662.620.0017152.640.001735取中間兩點，求出跨導(dǎo)gm=30.5mSeq\o\ac(○,2)R4=R5=47kΩ,重復(fù)eq\o\ac(○,1)中的測量，并得到差模傳輸特性及其斜率。根據(jù)eq\o\ac(○,1)和eq\o\ac(○,2)的測量結(jié)果，對比分析串聯(lián)電阻對差模傳輸特性的影響，并給出理論分析過程。R4=R5=47kΩ時：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-052.570.0001432.580.0002012.590.0002752.620.0005252.660.0007352.700.0010152.770.0013932.800.0015562.820.0017092.840.001712取中間兩點，求出跨導(dǎo)gm=5.490mS思考：若固定電阻R7=26.8kΩ，在2V~3V范圍內(nèi)逐漸改變節(jié)點5電壓（可以采用myDAQ中的FGEN-FunctionGenerator產(chǎn)生連續(xù)不同的直流電壓），同樣在R4=R5=1kΩ和R4=R5=47kΩ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)系和實驗eq\o\ac(○,1)與eq\o\ac(○,2)之間的倍數(shù)關(guān)系相同嗎？為什么？固定電阻R7=26.8kΩ，R4=R5=1kΩ時：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-052.66-0.00032.6