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,,试求该电路中晶体管的静态电流,节点1和2的直流电压V1，V2，晶体管跨导，差模输入电阻，差模输入电压增益，共模电压增益，和共模抑制比，请写出详细的计算过程，并完成表4-1.图4-1差分放大器实验电路表4-1(mA)V1(V)V2(V)(mS)(k欧)1.005982.988042.9880438.69111.275-76.3578-1.973619.3448解：其直流通路和交流通路如下图所示所以V1=v2=5-2*1.00598=2.98804V(10//)=11.275k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，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：(mA)V1(V)V2(V)V3(V)V5(V)V6(V)2.203882.997502.997501.003411.576511.554922.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。采用示波器观察输出波形，测量输出电压的峰峰值，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，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。截得的波形以及频谱图如下：输入单端幅度为1mV输入单端幅度为10mV输入单端幅度为20mV表4-3：输入信号单端幅度（mV）11020-74.82-71.978-64.45基波频率P1(dBm)-24.677-5.260-0.039基波频率P2(dBm)-97.072-46.231-30.139基波频率P3(dBm)-103.764-81.625-53.434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。思考：表4-3中的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：在不同输入信号幅度的时候不一样，输入的幅度越大，||越小。因为输出电压主要由电路的直流工作点确定，当交流信号较小时，可以忽略。但是当交流信号变大便不可忽略，这是，增益的计算值和测量值相差较大。当输入交流信号较小时，差模传输特性才是线性的，即和计算结果相差不大。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,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。输出波形如图所示计算：所以仿真的结果为：：370.755mV：351.655mV因为输入的交流信号既含差模信号也含共模信号，所以在计算单端增益时既需考虑差模增益也需考虑共模增益。同时，共模增益比较小，所以两边的增益会有微小的差别。4.在图4-1所示电路中，将输入信号V1和V2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。输出波形如图所示所以=-38.22/20=-1.911测出的结果与计算结果相差不大，但仿真结果绝对值较小，可能是输入信号较大。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。答：若要减小共模增益可以将电阻R1换为直流电流源电路图如下所示：共模信号输出波形如下图所示：差模信号输出波形如下：所以=-8.64/20000=-=1400/20=70所以=(70/2)/()=81018.5大大提高了。5.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。图4-4差分放大器传输特性试验电路1（1）电压扫描范围1.35~1.75V，扫描步进1mV，得到电阻R2、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（,）；（2）若将V3电压改为1V，再扫描V2电压，扫描范围0.8~1.2V，扫描步进1mV，仿真得到差模传输特性，并得到跨导，与计算结果相比较。（3）若将图4-4中电阻R1改为理想直流电流源，如图4-5所示。固定V3为1V,将仿真结果与上面结果作比较，指出异同点并给出解释。图4-5差分放大器传输特性实验电路2（1）扫描图线如下图示曲线斜率得，gm=9.7037m计算得到的gm=0.0385（2）扫描图线如下图示曲线斜率得，gm=4.5236m计算得到的gm=0.0173（3）扫描图线如下图示曲线斜率得，gm=10.0161m计算得到的gm=0.0385思考：a.在仿真任务（1）中，若V2的扫描电压改为0~5V，测量电源电压V2和V3中的电流，即三极管基极电流，与理论分析一致吗？参考硬件实验中给出的MAT02EH内部的电路，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：与理论分析不一致。当V2较大时，会将B、E间的二极管反向击穿，然后电流就会突然不断变大。在进行硬件实验时，可以先测量基极的电压，保证电压正常时再接入晶体管。具体的扫描曲线如下图所示：b.仿真任务（1）和（2），差模输出电流随V2的变化趋势一致吗？若有差异，原因是什么？答：两仿真曲线的变化趋势相同，但其斜率即gm不同。因为两仿真实验设置的基极工作电压不同，所以其工作电流不同，斜率也不同。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（1）测量电路各点的直流工作点，完成表4-4.表4-4：V1(V)V2(V)V3(V)V5(V)V6(V)3.033.040.991.601.57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：直流电压V1和V2可能会有微小的差别，因为MAT02EH管的两边不可能是完全对称的，所以输出的信号也会有差别。可以增加输出电压低的那一端的基极电压，也可以增加输出电压高的那一端的电阻。（2）输入差分信号，通过示波器同时观察两路输出波形。设置合理地显示参数并截图，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。截取的波形图如下所示：所以=1690/20=84.5。（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截图。仿真所得波形如下：硬件波形有误。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0~10k欧可变电阻。图4-9差模传输特性硬件实验电路图（1）R4=R5=1K欧，手动调节可变电阻R7，逐点测量节点8的电压，节点4及节点7的电压差，在1.6V附近步长可取小一点。根据测量数据，以节点8电压为x轴，差模输出电压为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。测得数据如下：R75k6k7k7.47k8k8.47k9k10kV8/v1.141.311.461.521.591.651.721.83V4/v0.550.690.810.850.880.870.880.89V7/v3.843.092.462.212.021.881.741.53V4-V7-3.29-2.40-1.65-1.36-1.14-1.01-0.86-0.64I/mA-1.645-1.2-0.825-0.68-0.57-0.505-0.43-0.32作得图线如下：可求得斜率为gm=1.083mS（2）R4=R5=20K欧，重复（1）中的测量，并得到差模传输特性及斜率。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。测得数据如下R75k6k7k7.47k8k8.47k9k10kV8/v1.141.311.461.521.591.661.721.84V4/v0.400.430.400.410.410.410.410.41V7/v3.573.242.942.802.672.552.412.19V4-V7-3.17-2.81-2.542.39-2.26-2.14-2.00-1.78I/mA-1.585-1.405-1.27-1.195-1.13-1.07-1.0-0.89其斜率为gm=0.857mS思考：若固定电阻R7=8K欧，在1.4V~1.8V范围内逐渐改变节点5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=1K欧和R4=R5=20K欧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？R4=R5=1K欧V5/v1.41.451.51.551.61.651.71.751.8V4/v0.710.750.790.830.880.910.930.940.95V7/v2.172.122.082.042.012.002.022.062.12V4-V7-1.46-1.37-1.29-1.21-1.13-1.09-1.09-1.12-1.17I/mA-0.73-0.685-0.645-0.605-0.565-0.545-0.545-0.56-0.585斜率gm=0.8mSR4=R5=20K欧V5/v1.41.451.51.551.61.651.71.751.8V4/v0.370.380.390.400.410.420.430.440.45V7/v2.752.732.712.692.672.652.622.602.58V4-V7-2.38-2.35-2.32-2.29-2.26-2.23-2.19-2.16-2.13I/mA-1.19-1.175-1.16-1.145-1.13-1.115-1.095-1.08-1.065斜率gm=0.3mS所以这两种斜率之间的倍数关系和实验（1）与（2）之间的倍数关系不相同。因为两边的电路不是对称的。