实验四 差分放大器

1、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。一、实验预习。根据图示电路计算电路性能参数。电路图：ICQ(mA)V1(V)V2(V)gm(mS)Rid()AvdAvcKCMR1.01662.9672.96739.18.679-78.186-1.94620.089二、实验内容。1、在Multisim中对电路进行直流工作点分析。电路图：ICQ(mA)V1(V)V2(V)V3(V)V4(V)V5(V)1.001252.99752.99751.00341.57651.55492、固定输

2、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。观察输出波形，计算差模增益Avd，观察并记录节点1的基波功率和谐波功率。输入信号单端幅度（mV）11020Avd-72.945-70.25-63.00基波功率（dBm）-24.179-4.5450.735二次谐波（dBm）-97.123-57.937-46.529三次谐波（dBm）-104.334-46.478-30.2951mV： 10mV： 20mV： 思考：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时不一样。在不相同的信号输入时，、rbe、rce都会有一定程度的改变，导致了Avd的

3、改变。3、将V2输入信号幅度设为10mV，频率为2kHz，输入信号V3幅度设置为0，仿真并测量输出信号幅度。若V1V2的幅度不一致，请解释原因，并写出详细的计算和分析过程。波形图：Vo1与Vo2的幅度有差异。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+12VodVo2=Voc-12VodVid=Vi1-Vi2=20mVVic=(Vi1+Vi2)2=10mVVoc=Vic×AVC=19.46mV Vod=Vid×AVD=1563.72mV则计算得 Vo1=801.32mV Vo2=762.4mV考虑到计算得到的

4、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、将输入信号V2 V3设置成共模输入信号信号频率2kHz，信号幅度10mV，信号幅度，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。波形图：Avc=-38.25/20=-1.925与计算结果-1.946相符。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。答：可采用电流源取代R1。电路图：波形图：差模：共模：则Avd=69.75 Avc=0.000432 KCMR=80729.1675、采用图示

5、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1.35V1.75V，扫描步进1mV，得到电阻R3和R2中电流差随V2电压的变化曲线，并求出gm，与计算结果对照。电路图：仿真结果：由图可知仿真gm=9.6075mS 计算值为gm=39.1mS2）将V3改为1V，再扫描V2，范围为0.8V1.2V，并求出gm，与计算结果对照。仿真结果：由图可知仿真gm=4.4898mS 计算值为gm=39.1mS3）将R1改为电流源，重复2。仿真结果：由图可知仿真gm=9.9904mS 计算值为gm=39.1mS思考：a.在仿真1中，若V2的电压扫描范围改为0V5V，测量电源电

6、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？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？仿真结果：从图可知，当电压过大，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，因先测量各点电压再接入差分对管。b. 比较仿真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？答：变化趋势相同，数值不同。两个电路的基极电压不同，导致工作点电流不相等，于是输出差模电流也不相等。三、硬件实验。1、按实验预习电

7、路图在面包板上搭接电路。1）测量电路各点的直流工作点，完成下表。V1(V)V2(V)V3(V)V4(V)V5(V)3.083.070.941.561.53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。由于电路在搭接时不能做到完全对称，导致差分对管工作电路不能完全相等，从而使VCC经过集电极电阻产生的压降不同。可在集电极串联小的补偿电阻，在不产生对增益大的影响的前提下使V1=V2。2）通过信号发生器产生单端振幅为10mV，频率为2kHz的差模信号，观察波形图并计算差模增益。波形图：图中蓝色线为双端输出差模信号。Av

8、d=1240+124440=62.1与仿真结果相符。3）通过信号发生器输入单端振幅为10mV，频率为2kHz的共模信号，观察波形。波形图：从图中可观察到两路输出的信号具有相同的相位，符合共模特征。2. 差模传输特性 在面包板上设计电路，并测试差模传输特性。R7为010k可变电阻。1)R4=R5=1k, 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）。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。 测量结果：V8(V)V4(V)V7

9、(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.

10、2551.553.464.47-1.01-0.5051.533.24.67-1.47-0.7351.53.044.82-1.78-0.89作图：计算得gm=12.5mS.2)令R4=R5=20k，重复1）。测量结果：V8(V)V4(V)V7(V)V4-V7(V)I2-I31.53.24.73-1.53-0.7651.533.44.48-1.08-0.541.553.644.24-0.6-0.31.573.893.91-0.02-0.011.584.063.80.260.131.594.163.750.410.2051.64.273.580.690.3451.614.433.440.990.49

11、51.624.523.31.220.611.634.583.231.350.6751.644.653.111.540.771.654.733.041.690.8451.664.82.981.820.911.674.812.911.90.951.684.822.871.950.9751.694.842.84211.74.862.792.071.035作图：计算得gm=14mS.思考：若固定电阻R7=8k，在1.4V1.8V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，在R4=R5=1k和R4=R5=20k两种条件下得到斜率，两种斜率之间的倍数关系相同吗？为什么？R4=R5=1

12、k：V5(V)V4(V)V7(V)V4-V7(V)I2-I31.82.544.84-2.3-1.151.782.584.84-2.26-1.131.752.644.84-2.2-1.11.722.74.84-2.14-1.071.72.754.83-2.08-1.041.692.784.82-2.04-1.021.682.824.81-1.99-0.9951.672.854.79-1.94-0.971.662.94.75-1.85-0.9251.652.964.71-1.75-0.8751.643.034.67-1.64-0.821.633.124.6-1.48-0.741.623.234.5

13、2-1.29-0.6451.613.344.4-1.06-0.531.63.484.29-0.81-0.4051.593.644.15-0.51-0.2551.583.84-0.2-0.11.5753.893.92-0.03-0.0151.573.973.840.130.0651.564.133.690.440.221.554.273.550.720.361.544.43.430.970.4851.534.523.321.20.61.524.613.241.370.6851.514.683.171.510.7551.54.723.121.60.81.484.793.051.740.871.45

14、4.833.011.820.911.434.8431.840.921.44.852.991.860.93作图：计算得gm=16ms.R4=R5=20k：V5(V)V4(V)V7(V)V4-V7(V)I2-I31.44.913.011.90.951.454.913.021.890.9451.474.93.031.870.9351.494.883.051.830.9151.54.863.071.790.8951.514.843.11.740.871.524.813.131.680.841.534.773.171.60.81.544.723.231.490.7451.554.653.291.360.681.564.573.371.20.61.574.463.4610.51.584.363.570.790.3951.594.253.680.570.2851.64.123.790.330.1651.613.993.920.070.0351.6153.933.97-0.04-0.021.623.864.04-0.18-0.091.633.734.15-0.42-0.211.643.614.27-0.66-0.331.653.484.38-0.9-0.451.663.374.48-1.11-0.5551.673.27