实验四 差分放大器

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(Ω) Avd Avc KCMR 1.0166 2.967 2.967 39.1 8.679 -78.186 -1.946 20.089 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) 1.00125 V1(V) 2.9975 V2(V) 2.9975 V3(V) 1.0034 V4(V) 1.5765 V5(V) 1.5549 2、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。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1 10 20 度（mV） Avd -72.945 -70.25 -63.00 基波功率（dBm） -24.179 -4.545 0.735 二次谐波（dBm） -97.123 -57.937 -46.529 三次谐波（dBm） -104.334 -46.478 -30.295

1mV：

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，β、rb’e、rce都会有一定程度的改变，导致了Avd的改变。

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

1

Vo1=Voc+Vod

21

Vo2=Voc?Vod

2Vid=Vi1?Vi2=20mV

(????1+????2)Vic==10mV

2Voc=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=80729.167

5、采用图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。

1）电压扫描范围1.35V~1.75V，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=39.1mS

2）将V3改为1V，再扫描V2，范围为0.8V~1.2V，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=39.1mS

3）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0V~5V，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？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) 3.08 3.07 0.94 1.56 1.53 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。

1240+1244Avd==62.1

40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0~10kΩ可变电阻。

1)R4=R5=1kΩ, 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) 1.7 1.69 1.68 1.67 1.66 1.65 1.64 1.63 1.62 1.61 1.6 1.59 1.58 1.57 1.55 1.53 1.5 V4(V) 4.86 4.85 4.83 4.82 4.78 4.71 4.68 4.59 4.5 4.35 4.21 4.01 3.87 3.67 3.46 3.2 3.04 V7(V) 2.78 2.82 2.88 2.93 3.01 3.09 3.14 3.26 3.4 3.58 3.78 3.91 4.02 4.18 4.47 4.67 4.82 V4-V7(V) 2.08 2.03 1.95 1.89 1.77 1.62 1.54 1.33 1.1 0.77 0.43 0.1 -0.15 -0.51 -1.01 -1.47 -1.78 I2-I3 1.04 1.015 0.975 0.945 0.885 0.81 0.77 0.665 0.55 0.385 0.215 0.05 -0.075 -0.255 -0.505 -0.735 -0.89 作图：

计算得gm=12.5mS.

2)令R4=R5=20kΩ，重复1）。 测量结果： V8(V) 1.5 1.53 1.55 1.57 1.58 1.59 1.6 1.61 1.62 1.63 1.64 1.65 1.66 1.67 1.68 1.69 1.7 V4(V) 3.2 3.4 3.64 3.89 4.06 4.16 4.27 4.43 4.52 4.58 4.65 4.73 4.8 4.81 4.82 4.84 4.86 V7(V) 4.73 4.48 4.24 3.91 3.8 3.75 3.58 3.44 3.3 3.23 3.11 3.04 2.98 2.91 2.87 2.84 2.79 V4-V7(V) -1.53 -1.08 -0.6 -0.02 0.26 0.41 0.69 0.99 1.22 1.35 1.54 1.69 1.82 1.9 1.95 2 2.07 I2-I3 -0.765 -0.54 -0.3 -0.01 0.13 0.205 0.345 0.495 0.61 0.675 0.77 0.845 0.91 0.95 0.975 1 1.035 作图：

计算得gm=14mS.

思考：若固定电阻R7=8kΩ，在1.4V~1.8V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=1kΩ和R4=R5=20kΩ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=1kΩ： V5(V) 1.8 1.78 1.75 1.72 1.7 1.69 1.68 1.67 1.66 1.65 1.64 1.63 1.62 1.61 1.6 1.59 1.58 1.575 1.57 1.56 1.55 V4(V) 2.54 2.58 2.64 2.7 2.75 2.78 2.82 2.85 2.9 2.96 3.03 3.12 3.23 3.34 3.48 3.64 3.8 3.89 3.97 4.13 4.27 V7(V) 4.84 4.84 4.84 4.84 4.83 4.82 4.81 4.79 4.75 4.71 4.67 4.6 4.52 4.4 4.29 4.15 4 3.92 3.84 3.69 3.55 V4-V7(V) -2.3 -2.26 -2.2 -2.14 -2.08 -2.04 -1.99 -1.94 -1.85 -1.75 -1.64 -1.48 -1.29 -1.06 -0.81 -0.51 -0.2 -0.03 0.13 0.44 0.72 I2-I3 -1.15 -1.13 -1.1 -1.07 -1.04 -1.02 -0.995 -0.97 -0.925 -0.875 -0.82 -0.74 -0.645 -0.53 -0.405 -0.255 -0.1 -0.015 0.065 0.22 0.36 1.54 1.53 1.52 1.51 1.5 1.48 1.45 1.43 1.4 4.4 4.52 4.61 4.68 4.72 4.79 4.83 4.84 4.85 3.43 3.32 3.24 3.17 3.12 3.05 3.01 3 2.99 0.97 1.2 1.37 1.51 1.6 1.74 1.82 1.84 1.86 0.485 0.6 0.685 0.755 0.8 0.87 0.91 0.92 0.93 作图： 计算得gm=16ms.

R4=R5=20kΩ： V5(V) 1.4 1.45 1.47 1.49 1.5 1.51 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.58 1.59 1.6 V4(V) 4.91 4.91 4.9 4.88 4.86 4.84 4.81 4.77 4.72 4.65 4.57 4.46 4.36 4.25 4.12 V7(V) 3.01 3.02 3.03 3.05 3.07 3.1 3.13 3.17 3.23 3.29 3.37 3.46 3.57 3.68 3.79

V4-V7(V) 1.9 1.89 1.87 1.83 1.79 1.74 1.68 1.6 1.49 1.36 1.2 1 0.79 0.57 0.33 I2-I3 0.95 0.945 0.935 0.915 0.895 0.87 0.84 0.8 0.745 0.68 0.6 0.5 0.395 0.285 0.165 1.61 1.615 1.62 1.63 1.64 1.65 1.66 1.67 1.68 1.69 1.7 1.73 1.75 1.78 1.8 3.99 3.93 3.86 3.73 3.61 3.48 3.37 3.27 3.18 3.11 3.03 2.88 2.81 2.74 2.7 3.92 3.97 4.04 4.15 4.27 4.38 4.48 4.57 4.65 4.71 4.75 4.85 4.9 4.91 4.91 0.07 -0.04 -0.18 -0.42 -0.66 -0.9 -1.11 -1.3 -1.47 -1.6 -1.72 -1.97 -2.09 -2.17 -2.21 0.035 -0.02 -0.09 -0.21 -0.33 -0.45 -0.555 -0.65 -0.735 -0.8 -0.86 -0.985 -1.045 -1.085 -1.105 作图：

计算得gm=11ms.

两种斜率之间的倍数关系不相同，原因：1、电路无法做到完全对称。2、使用可调电阻时测量误差较大，影响计算结果。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ont3.html