双输入双输出差分放大.docx

沈阳理工大学电子课程设计第一部分模拟电子课程设计1沈阳理工大学电子课程设计目录1 模拟电子部分31.1课程设计的目的与作用31.2 设计任务、及所用multisim软件环境介绍31.2.1设计任务31.2.2所用multisim软件环境介绍31.3 电路模型的建立61.4 理论分析及计算61.4.1对于差模输入信号的理论分析61.4.2长尾式差分放大电路基本理论分析71.4.3仿真电路模型的理论计算111.5 仿真结果分析141.5.1仿真结果141.5.2仿真结果的分析计算161.5.3仿真结果与理论估算的比较171.6 设计总结和体会181.6.1设计总结181.6.2心得体会191.7 参考文献191 模拟电子课设1.1课程设计的目的与作用1、了解并掌握Multisim软件，并能熟练的使用其进行仿真；2、加深理解长尾式差分放大电路组成及性能；3、进一步学习放大电路基本参数的测试方法；通过自己动手亲自设计和用Multisim软件来仿真电路，不仅能使我们对书上说涉及到的程序软件有着更进一步的了解和掌握，而且通过用计算机仿真，避免了实际动手操作时机器带来的误差，使我们对上课所学到的知识也有跟深刻的了解。1.2 设计任务、及所用multisim软件环境介绍1.2.1设计任务(1)设计一个双入双出长尾式差分放大电路，使其能够实现一定的放大电路的功能，电路由自己独自设计完成，在仿真实验中通过自己动手虚拟调试电路，能够真正掌握实验原理，即静态分析和动态分析，并在仿真实验后总结出心得体会。正确理解双入双出长尾式差分放大电路各个元件对放大电路性能的影响，以及如何根据实际要求在仿真实验中调试。正确理解双入双出长尾式差分放大电路电压静态分析、动态分析的估算方法。1.2.2所用multisim软件环境介绍Multisim是加拿大IIT公司（Interrative Image Technologies Ltd）推出的基于Windows的电路仿真软件，由于采用交互式的界面，比较直观、操作方便，具有丰富的元器件库和品种繁多的虚拟仪器，以及强大的分析功能等特点，因而得到了广泛的引用。针对不同的用户，提供了多种版本，例如学生版、教育版、个人版、专业版和超级专业版。其中教育版适合高校的教学用。Multisim 11 是National Instruments 公司推出的Ni Circuit Design Suit 11中的重要组成部分，它可以实现原理图的捕获、电路分析、电路仿真、仿真仪器测试、射频分析、单片机等高等应用。其数量众多的元件数据库、标准化的仿真仪器、直观的捕获界面、简洁明了的操作、强大的分析测试、可信的测试结果，为众多电子工程设计人员缩短产品研发时间、强化电路实验教学立下了汗马功劳。Multisim 11主界面。启动Multisim，就会看到其主界面，主要是由菜单栏、系统工具栏、设计工具栏、元件工具栏、仪器工具栏使用中元件列表、仿真开关、状态栏以及电路图编辑窗口等组成。如下图1.2.2-A所示。Multisim 11提供了丰富的元器件。这些元器件按照不同的类型和种类分别存放在若干个分类库中。这些元件包括现实元件和虚拟元件。所谓的现实元件给出了具体的型号，它们的模型数据根据该型号元件参数的典型值确定。而所谓的虚拟元件没有型号，它的模型参数是根据这种元件各种元件各种型号参数的典型值，而不是某一种特定型号的参数典型值确定。另外，Multisim 11元件库中还提供一种3D虚拟元件，这种元件以三维的方式显示，比较形象、直观.。Multisim 11容许用户根据自己的需要创建新的元器件，存放在用户元器件库中。如图1.2.2-B图1.2.2-A图1.2.2-BMultisim 11提供了品种繁多、方便实用的虚拟仪器。比如数字万用表、信号发生器、示波器等17种虚拟仪器。点击主界面中仪表栏的相应的按钮即可方便地取用所需的虚拟仪器如图1.2.2-C所示。图1.2.2-C此外Multisim 11提供了各种不同功能的分析工具。点击分析按钮，即可拉出分析菜单，其中列出了Multisim 11的各种分析工具，例如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析等。1.3 电路模型的建立 差分电路是常见的模拟信号运算电路。在日常生活中也有不少的运用，如各种电子设备电路中尤为常见。接下来，先进行双入双出长尾式差分放大电路的建立。如图1.3.1-A所示。图1.3.1-A1.4 理论分析及计算 1.4.1对于差模输入信号的理论分析（一）差模输入电压图1.4.1-A实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压UI1和UI2我们可以将其认为是某个差模输入电压的组合。本次仿真由图1.4.1-A可知差模输入电压 ：Uid = 1 2Uid+1 2Uid（二）差模电压放大倍数放大电路对差模输入电压的放大倍数称为差模电压放大倍数，用Ad表示，即：Ad = UOUid1.4.2长尾式差分放大电路基本理论分析（一）电路的组成图1.4.2-A图1.4.2-A为长尾式差分放大电路的组成部分，其中长尾电阻Re的作用是引入一个公模负反馈，也就是说Re对于共模信号有负反馈作用，而对于差模信号没有负反馈作用（由于两管的输入信号幅度相等而极性相反，所以ic1增加多少，ic2就减少同样的数量，因而流过Re的电流总量保持不变，则uE = 0，所以对于差模信号没有反馈作用），简单来说其作用就是降低单管零点漂移，提高了共模抑制比。对于VEE的作用则是补偿Re 上的直流压降，提供静态基极电流。（二）静态分析图1.4.2-B当输入电压等于零时，由于电路结构对称，即1 =2 =，rbe1 = rbe2 = rbe，Rc1 = Rc2 = Rc，R1 = R2 = R，故可认为IBQ1 = IBQ2 = IBQ，ICQ1 = ICQ2 = ICQ，UBEQ1 = UBEQ2 = UBEQ，UCQ1 = UCQ2 = UCQ，由三极管的基极回路可得：IBQR + UBEQ + 2 IEQRe = VEE则静态基极电流为： IBQ = VEE-UBEQR+2(1+)Re 静态集电极电流和电位为：ICQ IBQUCQ = VCC - ICQ Rc （对地）静态基极电位为：UBQ = -IBQR（对地）（三）动态分析由于接入长尾电阻Re后，当输入差模信号时流过Re的电流不变，UE相当于一个固定电位，在交流通路中可将Re视为短路，因此长尾式差分放大电路的交流通路如图1.4.2-C所示。图中RL为接在两个三极管集电极之间的负载电阻。当输入差模信号时，一管集电极电位降低，另一管集电极电位升高，可以认为RL中点处的电位保持不变，也就是说，在RL/2处相当于交流接地。图1.4.2-C图1.4.2-D根据交流通路可得：iB1 = UI1R+rbeic1 = iB1则uc1 = -ic1（Rc/RL2）= - （RC/RL2)R+rbeuI1同理uc2 = -ic2（Rc/RL2）= - （RC/RL2)R+rbeuI2故输出电压为： uo = uc1-uc2 = - （RC/RL2)R+rbe (uI1-uI2)则差模电压放大倍数为： Ad = UoUI1-UI2 = （RC/RL2)R+rbe从两管输入端向里看，差模输入电阻为： Rid = 2（R + rbe ）两管集电极之间的输出电阻为： Ro = 2 Rc1.4.3仿真电路模型的理论计算在长尾式差分放大电路中，为了使在两侧的参数不完全对称的情况下能使静态时的Uo为零，常常接入调零电位器RW。仿真电路模型的理论计算：在图1.4.3-A所示的放大电路，已知VCC = VEE =12V，三极管的1=2=50，Rc1=Rc2=Rc=30k，Re=27k，R1=R2=R=10k，RW=500,且设RW的滑动端调在中间位置，负载电阻RL =27k，试估算放大电路的静态工作点Q；估算差模电压放大倍数Ad；估算差模输入电阻Rid和输出电阻Ro。图1.4.3-A解：由三极管的基极回路可得IBQ= VEE-UBEQR+1+（2Re+0.5Rw） = 12-0.710+51（227+0.50.5）mA 0.004mA = 4A则 ICQ IBQ = 500.004mA=0.2mA UCQ = VCC-ICQRC =（12-0.230）V=6V UBQ = -IBQR =（-0.00410）V= - 0.04V= - 40mV为了估算Ad，需先画出放大电路的交流通路。长尾电阻Re引入一个共模负反馈，故对差模电压放大倍数Ad没有影响。但调位电位器RW中只流过一个三极管的电流，因此将使差模电压放大倍数降低。放大电路的交流通路如图1.4.3-B、C所示。图1.4.3-B图1.4.3.C由图可以求得差模电压放大倍数为Ad = - RLR+rbe+(1+)Rw2其中 RL = RcRL2 = 3020230+202 k = 7.5 krbe = rbb + (1+)26（mV）IEQ = （300 + 51260.2） = 6930 = 6.93 kAd = - 507.510+6.93+510.50.5 = -12.6则Rid = 2R+ rbe +（1+ ）Rw2 = 2(10+6.93+510.50.5）k 59.4 kRo = 2Rc = 230 k=60 k1.5 仿真结果分析 1.5.1仿真结果图1.5.1-A 图1.5.1-B（正弦曲线按A通道为红线，B通道为蓝线，C通道为绿线）图1.5.1-C.图1.5.1-D1.5.2仿真结果的分析计算利用Multisim的直流工作点分析功能测量放大电路的静态工作点。分析可以得到图1.5.1-A的结果。可知UCQ1 = UCQ2 = 5.80487 V （对地）UBQ1 = UBQ2 = -42.16825 mV（对地）则 ICQ1 = ICQ2 = VCC-UCQ1RC1 = 12-5.8048730 = 0.207 mA加下正弦输入电压，利用四纵示波器可以观察到图1.5.2-B的结果。即uC1（b图像）与uI（a图像）反向，而uC2（c图像）与uI（a图像）同向。当Ui = 10 mV（即Ui1 = 5 mV，Ui2 = -5 mV）时，由虚拟仪表测得Uo = 126.274 mV，Ii = 172.536 nA（图1.5.1.C），则Ad = - UoUi = - 126.27410=-12.6274Ri = UiIi= 10172.536103k = 57.969 k将负载电阻RL开路，测得Uo= 486.468 mV（图5.1-D）则Ro =（ UoUo - 1）RL = (486.468126.274 - 1) 20 k = 57.050 k1.5.3仿真结果与理论估算的比较(一) 静态比较1理论计算数据： ICQ = 0.2mA UCQ = 6 V UBQ = -40mV2仿真实验数据： ICQ = ICQ 1= ICQ 2=0.207mA UCQ = UCQ 1= UCQ 2=5.80487 V（对地） UBQ = UBQ1 = UBQ2 = -42.16825 mV（对地）3数据之差的绝对值：ICQ = | 0.2 -0.207 | = 0.007 mA ICQ% = |0.0070.2|100% = 3.5%UCQ = | 6 - 5.80487| = 0.19513 V UCQ%= |0.195136|100%=3.3%UBQ = | - 40 (-42.16825)| = 2.16825 mV UBQ%= |2.16825-40|100%=5.4%4分析：仿真结果与理论计算之间还是存在误差的。但是误差均不是很大，其中ICQ% =3.5%，UCQ% = 3.3%，UBQ%= 5.4%。不影响对整体的静态分析，因为理论分析中存在估算，所以有所误差在所难免。（二）动态比较1理论计算数据： Ad =-12.6 Rid 59.4 k Ro = 60 k2仿真实验数据： Ad = -12.6274 Rid = 57.969 k Ro = 57.050 k3数据之差的绝对值：Ad = |( -12.6) (-12.6274) | =0.0274 Ad % = |0.0274-12.6|100% = 0.2%Rid = | 59.4 57.969| = 1.431k Rid %= |1.43159.4|100%=2.4%Ro = | 60 57.050| = 2.95 k Ro %= |2.9560|100%=4.9%4分析：仿真结果与理论计算之间还是存在误差的。但是误差均不是很大，其中Ad % = 0.2%，Rid %= 2.4%，Ro %= 4.9%。不影响对整体的动态分析，因为理论分析中存在估算，所以有所误差在所难免。1.6 设计总结和体会 1.6.1设计总结在进行仿真后，对双入双出长尾式差分放大电路性能的影响有了进一步的理解，并且书上总结出的规律和公式有了更深层次的掌握。为符合书上的要求，需要对一些元器件进行调试，例如在对三极管选择和参数的调试，一度不能使仿真结果达到理想的输出结果，在多次更换数据库中的NPN型三极管电路输出结果才达到较为理想的输出结果。再如电阻的标准有分ANSI和DIN，开始不知道就是出不来想要的结果，在