东南大学信息学院电子线路模电实验四报告-差分放大器word版

1、实验四 差分放大器姓名： 学号：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。图4-1. 差分放大器实验电路表4-1：ICQ（mA）V1（V）V

2、2（V）gm（mS）Rid（k）AvdAvcKCMR18.28.238.520.3-261.8-3.438.5二、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）0.9975658.2198.2191.9982.6472.548仿真设置：Simulate Analyses DC 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10kHz，输入

3、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-239.23-229.25-208 基波功率P1(dBm)-24.021-5.417-0.474二次谐波功率P2(dBm)-91.635-52.095-40.529三次谐波功率P3(dBm)-96.405-41.272-25.723仿真设置：Simulate R

4、un，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。输入信号单端幅度1mV时的输出波形：输入信号单端幅度10mV时的输出波形：输入信号单端幅度20mV时的输出波形：思考： 输入幅度1mV时，表4-3中的数据Avd和计算结果一致吗？若有差异，请解释差异主要来自什么方面？ 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，请解释原因？答：不一致，产生差异的原因可能是如

5、下几点： I在计算理论值时，没有考虑到基区宽度调至效应，忽略了，所以理论值与仿真值存在差异。在计算时，因为值比较大，又忽略了与的差别。 II电阻rbe的仿真时候的值并非准确的等于VT/IBQ,可能有所偏差； III当VID足够小时，在原点附近VID的很小变化范围内差模传输特性曲线可以看作 是一段直线，直线的斜率为gm,但是事实上并不是一条直线，则gm=的值也随着 VID的不同而略有变化。并且差模电压增益为Avd=-gmRc，gm的不同会造成Avd的 偏差。 不一样，可能是因为。当VID足够小时，在原点附近VID的很小变化范围内差模传输特性曲线可以看作是一段直线，直线的斜率为gm,但是事实上并不

6、是一条直线，则gm=的值也随着VID的不同而略有变化。并且差模电压增益为Avd=-gmRc，gm的不同会造成Avd的偏差。此外，当信号幅度增大时，对直流工作点有影响，增益不同，而且信号幅度越大，失真越严重，产生更多的高频谐波。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，单端信号幅度)，频率为10kHz，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。答: 实际测得输出电压峰峰值为2.32V和2.39V，稍有不同。原因可能是，测量单端输出电压

7、时需要考虑共模的增益,而双端输出时,不需要考虑共模的增益,而共模增益带来了幅度的略微差别。 将输入信号分解为差模和共模信号之后，因为差模信号对于两边是大小相等方向相反的，而且差模增益比较大，所以决定了主要的输出信号的波形，即峰峰值大小相近，相位差180度，而共模信号虽然是大小相等方向相同，但因为共模增益比较小，所以对输出的波形影响比较小，形成了两信号的略微幅度上的略微的不一致。 计算过程如下：由计算可以发现,两输出端的输出信号幅度存在差异,方向相反,与仿真结果一致仿真设置：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。4.

8、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10kHz，信号幅度10mV，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。计算值由实验预习部分可知为：=-3.4， 仿真值为：=-3.34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。差模增益Avd=230.75 ，共模增益Avc=4.208 共模抑制比为：

9、KCMR=27418.01。5. 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性。图4-4. 差分放大器传输特性实验电路1 电压扫描范围2.35V2.75V，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）；计算图示曲线斜率得，gm=0.00952S计算得：gm=0.0385S 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，与中一样，通过仿真得到差模传输特性，在传

10、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。计算图示曲线斜率得，gm=0.00233S计算得到的gm=0.00864S 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计算图示曲线斜率得，gm=0.00992S计算得到的gm=0.0384S思考：a. 在仿真任务中，若V2的电压扫描范围改为0V15V，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

11、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，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：不一致，因为基极电压过大,导致MAT02EH中的BE两点之间的二极管被击穿，基极电流从而不断变大。实验时，可以在接入差分对管之前，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. 比较仿真任务和，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：变化趋势一样，但斜率不同。因为设置的基极电压工作点不同，导致直流工作点的电 流不同，一个为1mA，一个为0.5mA，使得输出电流的大小有很

12、大的差别。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三、 硬件实验1. 按照图4-7所示的myDAQ连接示意图在面包板上设计电路，并进行测试和分析。示意图中，+15V提供电源，AO-0和AO-1是两路输入信号，必须保证差分输入，AI-0+和AI-1+是差分放大器的两路输出信号，接入myDAQ进行分析和

13、显示，AI-0-和AI-1-需要接地。差分对管MAT02EH的管脚分布如图4-8所示，封装形式为TO-78，可以参阅该产品的数据手册。图4-7. 差分放大器硬件实验电路及myDAQ连接示意图图4-8. MAT02EH管脚图 测量电路的直流工作点，完成表4-4。表4-4：V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）7.927.932.052.682.63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：不一样，原因可能是MAT02EH管并非完全对称的，电路搭设时两边所使用导线排布也非完全对称的。可以在电压低的地方加一个补偿电压，或者

14、抬高电压高的地方的电阻，降低其电压。或者在电路中接入可变电阻进行调节，与其中一只6.8K电阻串联，直到把直流电压V1和V2调成一致。 按照图4-9所示，采用myDAQ任意波形发生器产生差分信号，并测量输出波形。按照图示设置完成后，选择file save as存储波形文件，在后续的弹出窗口中文件格式选择wdt，点击NEXT后的参数取缺省值。将图4-9中的波形设置部分的相位改为180°后再存一个wdt波形文件，得到两个等幅反相的差模信号。然后在任意波形发生器打开已存储的两个波形文件，并点击run得到实际的输出信号。输入差模信号后，通过示波器同时观测两路输出波形，示波器界面如图4-10所示

15、。设置合理的显示参数并截图，根据截图数据中的波形峰峰值计算电路的差模增益。请提交输入信号单端振幅分别为5mV和10mV时的两路差分输出波形，并分别计算差分增益，信号频率都为10kHz。振幅：5mV差模信号双端输出电压(峰峰值):差模信号双端输入电压（峰峰值）：差模信号增益：振幅：10mV差模信号双端输出电压(峰峰值):差模信号双端输入电压（峰峰值）：差模信号增益： 将两路输入信号改为相同的信号，频率10kHz，振幅为10mV，得到两路输出信号的波形并提交截图。由于实验仪器的精度有限，不能得到准确的共模输出信号波形，但是可以粗略看出两输出信号相位相同，幅度相似。2. 差模传输特性 按照图4-11

16、所示电路在面包板上设计电路，并测试差模传输特性。图中R7为20k30k可变电阻。AO-1采用myDAQ任意波形发生器产生2.55V直流电压，产生方法参考硬件实验1（先编辑生成wdt文件）。图4-11. 差模传输特性硬件实验电路及myDAQ连接示意图 R4=R5=1 k, 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），在2.55V附件步长可以取小一点，提高测量精度，过了限幅区步长可以增加。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。R4=R5=1k时：v8/V差模输出

17、电流/A2.11-0.001862.20-0.001862.30-0.001862.40-0.001852.45-0.00172.46-0.001632.48-0.00152.49-0.001392.50-0.001152.51-0.000972.52-0.000772.53-0.000552.54-0.000412.55-0.000112.560.00022.570.0006282.580.0010092.590.0011652.600.0013942.610.0015662.620.0017152.640.001735取中间两点，求出跨导gm=30.5mS R4=R5=47 k, 重复中的

18、测量，并得到差模传输特性及其斜率。根据和的测量结果，对比分析串联电阻对差模传输特性的影响，并给出理论分析过程。R4=R5=47k时：v8/V差模输出电流/A2.11-0.001672.16-0.001672.20-0.001652.28-0.001512.34-0.001282.38-0.001012.43-0.000722.45-0.000622.46-0.000582.48-0.000472.49-0.000392.50-0.000352.51-0.000252.52-0.000162.53-9.4E-052.54-1.9E-052.567.06E-052.570.0001432.580.

19、0002012.590.0002752.620.0005252.660.0007352.700.0010152.770.0013932.800.0015562.820.0017092.840.001712取中间两点，求出跨导gm=5.490mS思考：若固定电阻R7=26.8 k，在2V3V范围内逐渐改变节点5电压（可以采用myDAQ中的FGEN-Function Generator产生连续不同的直流电压），同样在R4=R5=1 k 和R4=R5=47 k两种条件下，可同得到两种差模传输特性及相应的传输特性斜率，这两种斜率之间的倍数关系和实验与之间的倍数关系相同吗？为什么？固定电阻R7=26.8 k，R4=R5=1 k时：V5/V差模输出电/A20.0018682.240.0018662.360.0018632.480.001852.50.0017472.520.0016252.540.0014542.560.0012352.580.0009692.60.0006762.620.0003622.643.09E-052.66-0.00032.68-0.000632.