差分放大电路仿真分析

1、差分放大电路仿真分析差分放大电路是集成运算放大器的主要单元电路之一， 它具有很强的抑制零 点漂移的能力。作为集成运算放大器的输入级，差分放大电路几乎完全决定着集 成运算放大器的差模输入特性、共模抑制特性、输入失调特性和噪声特性。差分放大电路经由两个参数完全相同的晶体管组成，电路结构对称。电路具有两个输入端和两个输出端，因此差分放大电路具有四种形式：单端输入单端输 出、单端输入双端输出、双端输入单端输出以及双端输入双端输出。实验内容：一、理想差分放大电路1、绘制电路图启动Capture CIS程序，新建工程，利用Capture CIS绘图软件，绘制如下的 电路原理图。双击正弦电压源VS+的图标，

2、在弹出的窗口中设置 AC为10mV, DC为0V, VOFF 为 0, VAMPL 为 10m, VFREQIkHz。VS-的设置除 AC 为-10mV 外，其 余均与VS+同。L 工-O2、直流工作点分析选择 Spice | New Simulation Profile功能选项或单击互!按钮，打开 NewSimulation对话框，在Name文本框中输入Bias,单击 Create按钮，弹出SimulationSettings-Bias对话框，设置如下：Sfmuhtion 5ettin -由越保存设置，启动PSpice A/D仿真程序，调出PSpice A/D窗口，可以在PSpiceA/D窗

3、口中选择View | OutPut Filse功能菜单选项，查看输出文件。输入明单文件:方才计1K7L.TI II：G exa63-?CHEMATICl.neH 靠eh source E五口口3Q QI0UT1 MOO5.33 N00714 Q2H2232Q_Q4NQQ7L4 N01050 WQILW? Q2K22LS1QQ2CUT2 NOO331 HM714 Q2N22Z2RRcl0UT1JT008333kRRe20UT2N0DS333k1rMuai24uaiieeikW Vs+N0059E 0 D匚 口.5EWMV 匚 LOmVIII IdELV 1kHz J 0 0I OZ 3 SN S

4、2113 尺飞，一51民，2、0一 RR7 + RVRVQN012460-12VH010900工映N00833012?NQ1090K01090 M01217 Q2UZ219N00633 削0595 100N口0960 i) DC 0.5636V AC -lOnVIkHs 000N0060 H00931 100昴体管的馍型极敬：IC21T2322C2N22L9MPMnPN工314.310UOOE-1514. 34DOQOE-L5HF二2 4NFL1VAF74.0374,03IKF.2847.2S47I SI14. 34000aE-1524. 3400 OOE-15WE1.307I. 307BK6

5、,0窕6. aazNR1iRE1010RC1iCJE22.alOOOOE-1222. DLOOOOE-L2HJE.377.377CJC7.30eOOOE-127.30G00OE-L2IIJC.3416.3416TF411.100000E-1241L.100000E-L2XTF33F1.71.7ITF.6,5TR46.910000E-0946.910000E-09KTTL51.5CU2.42.45L.87.37客小节山电压二NODEVOLTAGENUDEVOLTAGENODEVOLTAGENODEVOLTAGE(0UT1)5.2426(口UTZ)9.2426(N00595).553S(N0063

6、3).5632(M0O714)(1100933)12.0000(M0031).5532(HC0950).5638(N01090)-9.4610(N01L63)-10.1400(N01Z17)-10.1250(N01Z46)-12.0000电源工作情况： VOLTAGE SOURCE CUPRENTS NAMCURKEWT7_Vs+-5.674E-0bW1血-5.674E-I06V_V22,79GE-I0 3V_V1-1+ a3BE-O3急功耗t TOTAL PiOVER DISSIPATION 5.56E-O2 WATTSn BimLAR JUNCTIDH TKANSISTQRS各品体管的工作

7、点二WAHEQ_Q1Q_Q4Q_Q2Q_Q5MODELQ2N2222211221gQ2N2222Q2N2219IB5.6U061.06E-055.6较-066.34E-0CIC9,19E-041.S5E-0391驱-049.3LE-04VEE6.41E-016.59E-C16.41E-016.4E-01VBC-8.66E+00-9.40E-rfia-3.66E+00O.OSE+OCVCE9.32E+00i. OlE-KJl9.32E+0D6.44E-01EETADC1.6EE+D21.74E-HJZl,6EE+0E1.47E+I02GM3.5HUZ7.LIE-023.54E一0占3.5?E-0

8、2RP工5.071+032.63E+035.D7E+034.53E+03RXl.OOEOl1.00E+C1l.OOE+OL1.00E+01ROg. oceh-044.51E-45.C0E+04?.5SE+04CBE5.OGE-11.COE-11S.OeE-LLS.LIE-11CSC3,O6E-123.OOE-123.OGE-127-3LE-12CJ50,OOE4-DQO.OOE-HJOo,ooE+oaO.OOE+OOBETJUC1.80E+02L91EM21.30E+02l.fiZE+02CBX/CEX20,OOE+DQO.OOE+OOD.DOE+OaO.OOE+OOFT/FT2l,05E+0

9、61.64E+081.05+039.7SE+07在Capture CIS窗口中，单击 口、V按钮，此时电路图中显示电路的静态工 作电压与电流值，如下图：一-1.83DmSflOmJ It J UPOut277 Mm112VI 卬 L：E|0.61ujllO.MM2222收二前口sie.iu.C3 2mS24SuN/I 1Qk9.4S1IX断5山 10.13W J37 5u13VpW510DVOFF =0WFL= 10rr.V F EEQ = IkHZ 0148.1 MU3可以利用上面的电路来分析双端输入时的电AC Sweeps 选择 PSpice | New Simulation3、双端输入是

10、的基本特性上面的电路是双端输入的形式, 路特性。将分析类型设为交流扫描分析，口口Bia客 FeintBi as PoiniLMonte C ailo/Wor e t Ca: _Paranetric SweepTitur (Sw & gp)上.里 nin*c 及功q，粘x目只屎卷 t启动PSpice A/D仿真程序，显示空的PSpice A/D窗口，选择Trace | Add Trace 命令，在Add Trace窗口中设置如下图，即观察单端输出时的电压增益：V(OUT1)/ (V(VS+:+)-V(Vs-:+)。再次弹出Add Trace窗口，设置仿真输出变量为双端电压增益，表达式为： (V(

11、OUT1)-V(OUT2)/(V(VS+:+)-V(Vs-:+),结果如下图。帮助Pro刊e功能选项或单击怛按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入AC,单击 Create按钮，弹出Simulation Settings-AC对话框，设置如下:利用光标工具Cusor测得单端输出时的差模电压增益正好是双端输出时的一pt ionsGfgr。AiidLyE i e弓标口”i二EnabledInclude let ailed bias poiiit Lnfcrmiatian for noiJLi near contr oil ed owirec es and4f Cf、Da

12、lq CollectionProbe WindowLibrrStia-ulusD电已工d也 工f心i血t ?yn$ c曲仙IoOutput Fil Qpti ons” WEH，-nzngTJfl-U I i i jgDtJiE3-rI *L-、4型卡tOf rg-ra|向ej md ex uiu r?nEdi dial i-taf h*ii o JFlDTt Cllnl哽TE iu| Bkiih) hulgi rkcJ Bliad_GiaWLili* -pvvIih1*pt ions工nohdk TilesAC Sweep TypeStartfrvt - lb IBHHkgiri yrri i

13、r fv， vhinjh-i UiWISimuUtfon SettiriBS - ACLDH=L. !：=半。由于差分放大电路的两边完全对称，所以两个输出端输出的是幅度相同，相位相差180度的信号。图中可以测得两条曲线的上行截止频率相同。对于双端输入的共模特性分析如下：对电路图中信号源VS-的AC属性改为10mV,其它与信号源VS+一样，这 样就相当于在两个输入端上加了相同的信号。 分析类型仍然为交流扫描分析。启 动PSpice A/D仿真程序，显示空的PSpice A/D窗口，选择Trace | Add Trace命令, 在Add Trace窗口中设置如下图，即观察单端输出时的电压增益：V(

14、OUT1)/V(VS+:+)。再次弹出Add Trace窗口，设置仿真输出变量为双端电压增益，表达式为： (V(OUT1)-V(OUT2)/V(VS+:+),结果如下图。励山用 ilrf ZUUC OIWllElTiTlj ! Tim U3i aiJ :H -MTd4TtEb14 di mm h ii h*rv1 - J& iJBHH巾.正飞 Ar$Ppg! 星航西双端输出的共模电压增益为零。在中低频段单端输出时的共模电压增益也很 小。随着频率的增加，共模电压增益会急剧增加，增加到一定程度后不会再有剧 烈的增减，但无论如何这个小于1。4、单端输入时的基本特性在差分放大电路中如果输入信号是通过在

15、两个输入端加上大小相等、相位相反的信号，则称为双端输入，如果输入信号是从一端接入，而另一端输入信号为 零，则称为单端输入。修改电路图，双击电源 VS-,将其AC、VOFF、VAMPL及FREQ属性均该 为零。选择PSpice | Markers | Voltage Level功能选项或单击叱上按钮分别在 OUT1 和OUT2各放置一个电压探针，再选择PSpice | Markers | Wtage Differential功能 选项，观察两个节点之间的电压差，将正端放置在OUT1 ,负端放置在OUT2,结果如下图：分析类型选择交流扫描分析 AC Sweeps分析设置与前面的双端输入时分析 差模

16、电压增益时一样。启动PSpice A/D仿真程序，输出曲线如下图：EwfiiirTir 2. .刖 hEiwse iFEHbwti By fa h 14 E E” /hfiiMlKPsXEl-iLjMUi*二 e-Uvli#j； vhd 4AieEaH -MT dirtEd4 di i-m Kh ii h*Klj I：FriM-Ei ni AMlyiLa dMi.EinJa* i-n 注g ly 冕理,图中可以看出输出端OUT1和OUT2的输出也是幅度大小形同、相位相反的正弦波，而且在直流输出时具有直流偏移，这个直流偏移是由两个晶体管Q1和Q2的的静态电压偏置电压引起的。而在双端输出时，直流偏

17、移为零，这是由于两端(OUT1、OUT2)的直流偏移相反，互相抵消的缘故。通过上述分析可知，无论是单端输入方式还是双端输入方式，只要输出方式 一致，放大倍数就相等，而且单端输出时的放大倍数是双端输出时的一半。、非理想对称的差分放大电路在实际的差分放大电路中往往很难实现电路的完全对称，由于配对晶体管参数失配和集电极负载电阻Rc的失配而使差分放大电路的性能变差，主要表现为： 当输入加差模信号时输出会产生共模分量，当输入加共模信号分量时输出会产生 差模分量。如果下一级也是差分放大电路，这种差模输入一共模输出的转换将对 整个放大电路的性能产生不利影响。修改前面的电路，将R1的大小改为5k,将集电极电阻

18、Rc2调整为2.5k。选 中晶体管Q2,选择Edit | PSpice Model功能菜单，修改元件的Bf为200, Ise为 20F, Rb为20,并保存。先输入差模信号，即修改 RS2的AC为-10mV,其余项与RS1相同。在OUT1与OUT2端分别放置一个电压探针，进行交流小信号分析。启动 PSpice A/D仿真程序，输出曲线如下图：. flh g tfvw nifaMrr-加.争 喊4 * | Gf & Ml A- |4HEmTltE量乳窗Q a tr WH W猛写/& 由忖4 Fri iv QHWNT w闻 uAw匕出 处.i 晞在小飒hkI. iri* TIM v w Liiixri aaiCjr.i i R vwdj tn Ad1 F研CvlnJ iins M lwi 乩EijR4亡也加赳修U and fMJran使用贯标工具Cursor可测得在中低频正向输出端电压和反相端电压，两者相位 相反。差模输入一