实验四 差分放大器.doc

实验四差分放大器
实验目的：
掌握差分放大器偏置电路的分析和设计方法；
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；
掌握差分放大器差模传输特性。
实验内容：
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,,试求该电路中晶体管的静态电流,节点1和2的直流电压V1，V2，晶体管跨导，差模输入电阻，差模输入电压增益，共模电压增益，和共模抑制比，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
(mA)V1(V)V2(V)(mS)(k欧)1.005982.988042.9880438.69111.275-76.3578-1.973619.3448解：其直流通路和交流通路如下图所示
所以
V1=v2=5-2*1.00598=2.98804V

(10//)=11.275k

仿真实验
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，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：
(mA)V1(V)V2(V)V3(V)V5(V)V6(V)2.203882.997502.997501.003411.576511.55492
在图4-1所示电路中，固定输入信号频率为2kHz，输入不同信号幅度时，测量电路的差模增益。采用示波器观察输出波形，测量输出电压的峰峰值，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，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。
截得的波形以及频谱图如下：
输入单端幅度为1mV

输入单端幅度为10mV

输入单端幅度为20mV

表4-3：
输入信号单端幅度（mV）11020-74.82-71.978-64.45基波频率P1(dBm)-24.677-5.260-0.039基波频率P2(dBm)-97.072-46.231-30.139基波频率P3(dBm)-103.764-81.625-53.434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。
思考：表4-3中的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：在不同输入信号幅度的时候不一样，输入的幅度越大，||越小。
因为输出电压主要由电路的直流工作点确定，当交流信号较小时，可以忽略。但是当交流信号变大便不可忽略，这是，增益的计算值和测量值相差较大。
当输入交流信号较小时，差模传输特性才是线性的，即和计算结果相差不大。
在图4-1所示电路中，将输入信号V2的信号幅度设置为10Mv,频率为2KHz，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。
输出波形如图所示

计算：

所以

仿真的结果为：
：370.755mV
：351.655mV
因为输入的交流信号既含差模信号也含共模信号，所以在计算单端增益时既需考虑差模增益也需考虑共模增益。同时，共模增益比较小，所以两边的增益会有微小的差别。
在图4-1所示电路中，将输入信号V1和V2设置成共模输入信号——信号频率2kHz，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。
输出波形如图所示

所以=-38.22/20=-1.911
测出的结果与计算结果相差不大，但仿真结果绝对值较小，可能是输入信号较大。
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：若要减小共模增益可以将电阻R1换为直流电流源
电路图如下所示：

共模信号输出波形如下图所示：

差模信号输出波形如下：

所以=-8.64/20000=-
=1400/20=70
所以=(70/2)/()=81018.5
大大提高了。
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试验电路1
电压扫描范围1.35~1.75V，扫描步进1mV，得到电阻R2、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（,）；
若将V3电压改为1V，再扫描V2电压，扫描范围0.8~1.2V，扫描步进1mV，仿真得到差模传输特性，并得到跨导，与计算结果相比较。
若将图4-4中电阻R1改为理想直流电流源，如图4-5所示。固定V3为1V,将仿真结果与上面结果作比较，指出异同点并给出解释。

图4-5差分放大器传输特性实验电路2
（1）扫描图线如下
图示曲线斜率得，gm=9.7037m
计算得到