差分放大电路仿真分析报告

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啲图标，

2、在弹出的窗口中设置 AC为10mVDC为OV, VOFF 为0, VAMP为10m VFREQlkHzVS-的设置除AC为-10mV外，其余均与 VS+同。illfc1Q2m222Rs2MflMPl = WmV FR:EC= 1kHz3Q2N22191k2k沁CFF= 0 WMV1PLS 1flmV FREO= 1kHz-12V2、直流工作点分析选择Spice | New Simulation Profile 功能选项或单击二按钮，打开 NewSimulation 对话框，在 Name文本框中输入 Bias，单击Create 按钮，弹出Simulation Sett in gs-Bias对话框

3、，设置如下：保存设置，启动PSpice A/D仿真程序，调出PSpice A/D窗口，可以在PSpice A/D窗口中选择View | OutPut Filse功能菜单选项，查看输出文件。諭入网单文件、EX053OUTL H00633 M00714 Q2N2222N00714 1131090 1101100 Q2N22190UT2 U00931 W00714 Q2N2222* INCLUDING exC63-5CHEMATIC * 寺 sourceQ_C1Q_Q40 02R_Rcl0UT1 N006333k0UT2 N006333kR【R皀IDL246 W011S3ikv2vs+M00595

4、0 DC 0.5639V AC IOmV+5IN 0 lOmV1kHz 000R_R2N01246 N012172k1TO0633 >00595100VVs-M0D960 0 DC 0.5638V AC -10mV+SIM 0 lOnV1kHz U 0 0R_R32M0D960 N00931100VZV2ND1246 0 -127rZrlN01D90 010kVVlN00333 0 12VQ 03N01D90 N01090JJ012L7 Q2N2219晶体管的模型參数：1ISQ2N2222KPN1.4.34D000E-L5Q2N2219KPN14.3400001-15BF255.9255

5、.3NF11VAF74*0374.03IKF.2S47閔47ISE14.340000E-1514. 340000E-15ME1.3071,3070R6,0926.092NR11RB1010RC11CJE22.010000E-1222.ai0C00E-12HJE.377.377CJC7.306000E-127.3O5CO0E-12MJC.3416.3416TF4L1.100000E-L2411.1DOOOOC-12XTF33VTFTTF+ 6.6TR46.910000E-0946.910CD0E-O9XTB1.51.5CN2.422*42D.87.37答个节点电压：NODEVOLTAGENODE

6、VOLTAGEMODEVOLTAGENODEVOLTAGE(OtlTl)5.2426(0UT2)9.2426(IT00595).5538(N00633J.5632(N00714)-.0776(100833)12.0000(N00931).5532(H00960).5638(N01090)-9.4910(N0L163)-10,1400(DD1217)-10.1250(IT01246)-12.0000电源工作情况：VOLTAGE SOURCE CURREHTSNOECURRENTV_Vs+-5.674E-0GVV3-5.C74E-06匸V2Z.798E-03VVl-1.338E-03总防耗匕S.S

7、6E-02 WATTSTOTAL POWER DISSIPATION"林 BIPOLAR JUNCTION TRA1J5IST0R5答品体管的二作点：NAMEQ_Q1MODELQ2N2222IB5.67E-06ICVBEVBCVCE BETADC GHRPIPXROCEE 匚BCCJSBETAACCBX/CBX2FT/FT29.19E-046.41E-01 -e.60E+OOS.32X4001.62E+023.54E-Q25*07E+031,OOE+Ol9.00E-H45.O0E-113.OBE-12O.OOE+aOl.SOE+02O.OOE+OOl.OSE+OfiQ.Q4Q2W22

8、191.06E-051t8SE-036.59E-01-9,40E+001.01E+01L.74E+027*11E-O2玄.68E+031.ODE+014,51E+Q4e.eoE-ii3.00E-12O.OOE+OO 丄.91E+02 O.OOE+OOL.64E+03Q_Q2Q2N22225.67E-069.19E-046.41E-01 -6.60E+aO9.32E+001.62E+023.54E-025.07E+031,OOE+Ol9.00E+045.O0E-113.0SE-120.OOE+OO1.SOE+020.OOE+OO1.05E-H16Q_Q3Q2N22196434E-06 9.31E

9、-04 6,4E-Q1 0,OOE+OO 6.44E-01 丄.47E+02 3.59E-02 4.53E+03 l.OOE+Ol 7,95E+04 5.L1E-11 7.31E-12 D.OOE+OO 丄.62E+02 O.OOE+OO 9.78E+07在Capture CIS窗口中，单击 |、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:Rsl曲FF =心 WWL* IDmV FREQ = 1kHz8.815 674.0irt19.243X/I)10.1u>sS035.674U,1 950m.1414 '1kP10.KOut2lRC212.DDMHs21013V

10、24.»u|J31.1u.WN2219937.5uu<I0.13M337 .5ujluka2k焙加A5&3占m加5.674jVO'FF = 0 WWL二 lOmV FREQ= 1kHz-H -12VH2 DD 13、双端输入是的基本特性上面的电路是双端输入的形式，可以利用上面的电路来分析双端输入时的电 路特性。将分析类型设为交流扫描分析AC Sweep选择 PSpice | New SimulationProfile 功能选项或单击二按钮，打开New Simulation 对话框，在Name文本 框中输入 AC单击Create按钮，弹出Simulation Se

11、ttings-AC 对话框，设置 如下：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(OUT1)-V(OUT2)/(V(VS+:+)-V(Vs-:+)，结果如下图。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。

12、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(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。双端输出的共模电压增益为零。在

13、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 VAMP及FREQS性均该为零。选择PSpice | Markers | Voltage Level 功能选项或单击仝1按钮分别在 OUT1和 OUT2各放置一个电压探针，再选择PSpice | Markers | Voltag

14、eDiffere ntial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ACSweep分析设置与前面的双端输入时分析差 模电压增益时一样。启动PSpice A/D仿真程序，输出曲线如下图：丄_1-0图中可以看到三条曲线，使用工具Cusor测得输出端OUT1和0UT2勺输出电 压均为503.286mV双端输出电压正好是单端输出电压的两倍。观察各种输出方式中各输出端输出的瞬态波形和相位关系。选择PSpice |New Simulation Profile功能选项或单击一按钮，打开 New Simulation 对话框，在 Name文

15、本框中输入 Tran ,单击 Create 按钮，弹出Simulation Setti ngs-Tra n 对话框，设置如下：防止探针同上，启动PSpice A/D仿真程序，输出曲线如下图:图中可以看出输出端0UT1和0UT2勺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，直流偏移为零，这是由于两端 (0UT1 0UT2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。二、非

16、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

17、RS1相同。在OUT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：IOOHeOKIts10X13=IDOKHeORHe103113=loaitiEOGItzlDItzV(OUTZ)E' KHtM*：! it Plpfce A/D_IewD&3 5aiMAfici 毗.M* 血谕雨am vioinuJffJSCHFFIn口 AConfc« =i餐东殍Edit £*y SmWtnn Lr->« E*ot T-j* 土Vd* Ue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。差模输入一共模输出这种输出模式对多级差分放大电路对的影响不大F面讨论共模输入一差模输出的电路特性。修改输入信号源VS+和VS-的AC项都为1V,进行交流小信号分析设置。设置与前面