东南大学模电实验四-差分放大器

实验四差分放大器实验目的：1.掌握差分放大器偏置电路的分析和设计方法；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传输特性。实验内容：一、实验预习根据图4-1所示电路，计算该电路的性能参数。已知晶体管的导通电压VBE(on)=0.55,β=500，|VA|=150V，试求该电路中晶体管的静态电流ICQ，节点1和2的直流电压V1、V2，晶体管跨导gm，差模输入阻抗Rid，差模电压增益Avd，共模电压增益Avc和共模抑制比KCMR，请写出详细的计算过程，并完成表4-1。表4-1：图4-1.差分放大器实验电路ICQ（mA）V1（V）V2（V）gm（mS）Rid（kΩ）AvdAvcKCMR1.01662.9672.96739.18.679-78.186-1.94620.089二、仿真实验1.在Multisim中设计差分放大器，电路结构和参数如图4-1所示，进行直流工作点分析（DC分析），得到电路的工作点电流和电压，完成表4-2，并与计算结果对照。表4-2：ICQ（mA）V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）1.001252.997502.997501.00341.576511.55492仿真设置：Simulate→Analyses→DCOperatingPoint，设置需要输出的电压或者电流。2.在图4-1所示电路中，固定输入信号频率为2kHz，输入不同信号幅度时，测量电路的差模增益。采用Agilent示波器（AgilentOscilloscope）观察输出波形，测量输出电压的峰峰值（peak-peak），通过“差模输出电压峰峰值/差模输入电压峰峰值”计算差模增益Avd，用频谱仪器观测节点1的基波功率和谐波功率，并完成表4-3。表4-3：输入信号单端幅度（mV）11020Avd-72.95-70.00-63基波功率P1(dBm)-28.015-8.265-3.160二次谐波功率P2(dBm)-97.239-57.378-46.000三次谐波功率P3(dBm)-103.321-43.025-26.382仿真设置：Simulate→Run，也可以直接在Multisim控制界面上选择运行。在示波器中观察差模输出电压可以采用数学运算方式显示，即用1通道信号减2通道信号，设置见图4-2。显示设置按钮可以设置数学运算模式下的示波器显示参数，见图4-3，采用图中所示显示调节按钮可以分别调节Scale和Offset。图4-2.采用示波器测量差模电压图4-3.数学运算模式下的显示调节思考：表4-3中的Avd在不同输入信号幅度的时候一样吗？若不一样，请解释原因？答：Avd在不同输入信号幅度的时候不一样。在不相同的信号输入时，β、、都会有一定程度的改变，因此导致了Avd的改变。3.在图4-1所示电路中，将输入信号V2的信号幅度设置为10mV(Vpk，信号振幅)，频率为2kHz，输入信号V3的信号幅度设置为0，仿真并测量输出信号幅度。若输出信号V1和V2的幅度不一致，请解释原因，并写出详细的计算和分析过程，计算过程可以直接采用表4-1中的性能参数。仿真设置：Simulate→Run，也可以直接在Multisim控制界面上选择运行，通过Agilent示波器测量输出波形幅度。解：Vo1与Vo2的输出信号幅度有差异。分析：单端输出信号中包含了差模输出部分和共模输出部分，因此造成了两边单端输出了不同的幅度，其中：Vo1=Voc+Vod/2Vo1=Voc-Vod/2Vid=Vi1-Vi2=20mVVic=(Vi1+Vi2)/2=10mvVoc=Vic*Avc=19.46mVVod=Vid*Avd=1563.72mv因此Vo1=801.32mV,Vo2=762.4mV考虑到计算得到的Avd比仿真偏大，则得到的电压比仿真结果偏大属正常现象。4.在图4-1所示电路中，将输入信号V2和V3设置成共模输入信号——信号频率2kHz，信号幅度10mV，相位都为0°，仿真并测量输出信号的幅度，计算电路的共模增益，并与计算结果对照。思考：若需要在保证差模增益不变的前提下提高电路的共模抑制能力，即降低共模增益，可以采取什么措施？请给出电路图，并通过仿真得到电路的共模增益和差模增益。仿真设置：Simulate→Run，也可以直接在Multisim控制界面上选择运行，通过Agilent示波器测量输出波形幅度。解：Avc=-38.29/20=-1.9145与计算结果-1.946相符。思考：可采用电流源代替R1，电路原理图如下共模增益：Avc=0.0000差模增益：Avd=70.00005.采用图4-4所示电路对输入直流电压源V2进行DC扫描仿真，得到电路的差模传输特性。○1电压扫描范围1.35V~1.75V，扫描步进1mV，得到电阻R2和R3中电流差随V2电压的变化曲线，即输出电流的差模传输特性，并在差模输出电流的线性区中点附近测量其斜率，得到差分放大器的跨导，并与计算结果对照（VBE(on)=0.55,β=500）；故仿真gm=0.0096557S；计算gm=0.0385S图4-4.差分放大器传输特性实验电路1○2若将V3电压改为1V，再扫描V2的电压，扫描范围0.8V~1.2V，扫描步进1mV，与○1中一样，通过仿真得到差模传输特性，在传输特性的线性区测量差分放大器的跨导，并与计算结果对照。故仿真gm=0.0044743S；计算gm=0.00864S○3若将图4-4中的电阻R1改为理想直流电流源，如图4-5所示。与○2中一样，固定V3电压为1V，扫描V2的电压，扫描范围0.8V~1.2V，扫描步进1mV，通过仿真得到差模传输特性，并与○2中仿真结果对照，指出二者结果的异同并给出解释。图4-5.差分放大器传输特性实验电路2故仿真gm=0.0100438S;计算gm=0.0384S思考：a.在仿真任务○1中，若V2的电压扫描范围改为0V~5V，测量电源电压V2和V3中的电流，即三极管的基极电流，与理论分析一致吗？参考硬件实验中给出的MAT02EH内部电路，给出解释。硬件实验中，由于误操作，三极管基极可能接地或者接电源，若电流过大，可能导致晶体管损坏，如何避免这种误操作导致的基极电流过大？答:由图可知，当电压过大时，基极电流会产生较大变化，与计算结果不一致。此时基极电压过大，使基极和发射极之间的二极管被击穿，基极电流不断变大。为避免二极管被击穿，先测定基极的电压强度，若明显过大则调整至合适的电压时再接入差分对管。b.比较仿真任务○1和○2，差模输出电流随V2的变化趋势一样吗？若有差异，原因是什么？仿真设置：Simulate→Analyses→DCOperatingPoint，设置扫描电压源及扫描范围和步进，需要输出的电压或者电流。差模电流通过表达式计算得到，设置界面见图4-6。在仿真结果中通过标尺完成测量，设置如下：Grapherview→Cursor→ShowCursor，然后拖动标尺测量。图4-6.差模输出电流的设置答：变化趋势相同，数值和斜率不同。两个电路的基极电压不同，导致工作点电流不相等，于是输出差模电流不相等。三、硬件实验1.按照图4-1所示电路在面包板上设计电路，并进行测试和分析。本实验采用POCKETLAB实验平台提供的直流+5V电源、信号发生器和示波器。信号发生器产生差分信号，示波器采用双通道同时显示，仪器界面截图如图4-7所示。差分对管MAT02EH的管脚分布如图4-8所示，封装形式为TO-78，可以参阅该产品的数据手册。图4-7.POCKETLAB界面及相关设置说明图4-8.MAT02EH管脚图○1测量电路各点的直流工作点，完成表4-4。表4-4：思考：若直流电压V1和V2不一样，可能是什么原因?如何调整电路可以使得输出直流电压V1和V2更加一致？答：V1和V2有细微差别。原因可能是MAT02EH管非完全对称，电路搭设时两边所使用导线排布也不是完全对称的，从而使VCC经过集电极电阻产生的压降不同。可在集电极串联可变电阻进行调节，在不产生对增益大的影响的前提下使V1=V2，或者在电压低的地方加一个补偿电压。V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）3.033.040.691.521.50○2采用POCKETLAB信号发生器产生差分信号，通过示波器同时观测两路输出波形。设置合理的显示参数并截图，根据截图数据中的波形峰峰值计算电路的差模增益。请提交输入信号单端振幅为10mV，频率为2kHz时的两路输出波形，并根据示波器显示的输出峰峰值计算差模增益Avd。Avd=(1690+1692)/2/20=84.55○3将两路输入信号改为相同的信号，频率2kHz，振幅为10mV，得到两路输出信号的波形并提交截图。答：从图中可观察到两路输出的信号具有相反的相位，不符合共模特征,原因不明。2.差模传输特性按照图4-9所示电路在面包板上设计电路，并测试差模传输特性。图中R7为0~10kΩ可变电阻。V1采用POCKETLAB信号发生器产生1.6V直流电压（信号幅度为0，DCOFFSET为1.6V）。图4-9.差模传输特性硬件实验电路图○1R4=R5=1kΩ,手动调节可变电阻R7，逐点测量节点8电压，节点4及节点7的电压差（通过该电压差计算差模电流），在1.6V附近步长可以取小一点，提高测量精度，过了限幅区步长可以增加。根据测量数据，以节点8电压为X轴，差模输出电流为Y轴，得到电路的差模传输特性，并在差模输出电流0附近测量其斜率，即放大器跨导。解：V8(V)V4(V)V7(V)V4-V7(V)I2-I31.74.862.782.081.041.694.852.822.031.0151.684.832.881.950.9751.674.822.931.890.9451.664.783.011.770.8851.654.713.091.620.811.644.683.141.540.771.634.593.261.330.6651.624.53.41.10.551.614.353.580.770.3851.64.213.780.430.2151.594.013.910.10.051.583.874.02-0.15-0.0751.573.674.18-0.51-0.2551.553.464.47-1.01-0.5051.533.24.67-1.47-0.7351.53.044.82-1.78-0.89计算得gm=12.5mS.○2R4=R5=20kΩ,重复○1中的测量，并得到差模传输特性及其斜率。根据○1和○2的测量结果，对比分析串联电阻对差模传输特性的影响，并给出理论分析过程。解：V8(V)V4(V)V7(V)V4-V7(V)I2-I31.53.24.73-1.53-0.7651.533.44.48-1.08-0.541.553.644.24-0.6-0.31.573.893.91-0.02-0.011.584.063.80.260.131.594.163.750.410.2051.64.273.580.690.3451.614.433.440.990.4951.624.523.31.220.611.634.583.231.350.6751.644.653.111.540.771.654.733.041.690.8451.664.82.981.820.911.674.812.911.90.951.684.822.871.950.9751.694.842.84211.74.862.792.071.035计算得gm=14mS.思考：若固定电阻R7=8kΩ，在1.4V~1.8V范围内逐渐改变节点5电压（可以采用POCKETLAB信号发生器产生连续不同的直流电压），以节点5电压为X轴，差模输出电流为Y轴，同样在R4=R5=1kΩ和R4=R5=20kΩ两种条件下得到差模传输特性的斜率，这两种斜率之间的倍数关系和实验○1与○2之间的倍数关系相同吗？为什么？解：R4=R5=1kΩ:V5（V）V4（V）V7（V）V4-V7（V）I2-I31.82