东南大学模电实验四-差分放大器(共19页).docx
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1、精选优质文档-倾情为你奉上实验四 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, =500，|VA|=150 V，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。专心-专注-专业表 4
2、-1：图 4-1. 差分放大器实验电路ICQ（mA）V1（V）V2（V）gm（mS）Rid（k）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 DC
3、 Operating Point，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（Agilent Oscilloscope）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
4、)-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
5、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，、rbe、rce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
6、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
7、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
8、 性。1 电压扫描范围 1.35V1.75V，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, =500）；故仿真gm=0.S；计算gm=0.0385S图 4-4. 差分放大器传输特性实验电路 12 若将 V3 电压改为 1V，再扫描 V2 的电压，扫描范围 0.8V1.2V，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.S；计算gm=0
9、.00864S3 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 0.8V1.2V，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.S; 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 0V5V，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，
10、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 DC Operating Point，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
11、界面见图 4-6。在仿真结果 中通过标尺完成测量，设置如下：Grapher view Cursor Show Cursor，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 POCKET LAB 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 T
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