東南大學(xué)模電實(shí)驗(yàn)六 多級放大器的頻率補(bǔ)償和反饋[驕陽教育]

1、實(shí)驗(yàn)六 多級放大器的頻率補(bǔ)償和反饋實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握多級放大器的設(shè)計(jì)，通過仿真了解集成運(yùn)算放大器內(nèi)部核心電路結(jié)構(gòu)；2.掌握多級放大器基本電參數(shù)的定義，掌握基本的仿真方法；3.熟悉多級放大器頻率補(bǔ)償?shù)幕痉椒ǎ?.掌握反饋對放大器的影響。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.多級放大器的基本結(jié)構(gòu)及直流工作點(diǎn)設(shè)計(jì)基本的多級放大器如圖 1 所示，主要由偏置電路，輸入差分放大器和輸出級構(gòu)成，是構(gòu) 成集成運(yùn)算放大器核心電路的電路結(jié)構(gòu)之一。其中偏置電路由電阻 R1 和三極管 Q4 構(gòu)成， 差分放大器由三極管 Q3、NPN 差分對管 U2 以及 PNP 差分對管 U1 構(gòu)成，輸出級由三極管 Q2 和 PNP 差分對管 U3 構(gòu)成。

2、輔導(dǎo)工具a實(shí)驗(yàn)任務(wù)：圖 1. 基本的多級放大器1 若輸入信號的直流電壓為 2V，通過仿真得到圖 1 中節(jié)點(diǎn) 1，節(jié)點(diǎn) 2 和節(jié)點(diǎn) 3 的直流工作 點(diǎn)電壓；V1（V）V2（V）V3（V）14.4295614.429588.388492 若輸出級的 NPN 管 Q2 采兩只管子并聯(lián)，則放大器的輸出直流電壓為多少？結(jié)合仿真結(jié) 果給出輸出級直流工作點(diǎn)電流的設(shè)置方法。V1（V）V2（V）V3（V）14.4377214.4377551.16179m解：將和對比可以發(fā)現(xiàn)，V3的數(shù)值產(chǎn)生明顯的變化。Q2之所以采用單只管子，是因?yàn)檫@樣可以增大輸出直流電壓，使得工作點(diǎn)更穩(wěn)定，提高直流工作點(diǎn)。2.多級放大器的基本電

3、參數(shù)仿真 實(shí)驗(yàn)任務(wù)：1 差模增益及放大器帶寬將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設(shè)置為 2V，AC 輸入幅度都設(shè)置為 0.5V，相位相差 180，采用 AC 分析得到電路的低頻差模增益 AvdI，并提交輸出電壓 V(3)的幅頻特性和相頻特性仿 真結(jié)果圖；在幅頻特性曲線中標(biāo)注出電路的-3dB 帶寬，即上限頻率 fH；在相頻特性曲線中 標(biāo)注出 0dB 處的相位。解：低頻差模增益AvdI=99.4077dB電壓V（3）的幅頻特性和相頻特性仿真結(jié)果圖：由仿真圖： 上限頻率fH=40.7572Hz 0dB處的相位=-173.43472 共模增益將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設(shè)置為 2V，AC

4、輸入幅度都設(shè)置為 0.5V，相位相同， 采用 AC 分析得到電路的低頻共模增益 Avc，結(jié)合1 中的仿真結(jié)果得到電路的共模抑制比 KCMR，并提交幅頻特性仿真結(jié)果圖。解：低頻共模增益Avc =-6.6202dB；共模抑制比KCMR =100084.0807。幅頻特性仿真結(jié)果圖：3 差模輸入阻抗將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設(shè)置為 2V，AC 輸入幅度都設(shè)置為 0.5V，相位相差 180，進(jìn)行 AC 分析，采用表達(dá) Rid=V(5)/I(V2)+V(6)/I(V3)得到差模輸入阻抗 Rid，請?zhí)峤?Rid 隨頻率變化的曲線圖，并在圖上標(biāo)記出 100Hz 處的阻抗值。解：100Hz時(shí)的阻抗

5、值=53.6585k。Rid隨頻率變化的曲線圖：4 輸出阻抗按照圖 2 所示，在放大器輸出端加隔直流電容 C1 和電壓源 V4，將 V2 和 V3 的直流電 壓設(shè)置為 2V，AC 幅度設(shè)置為 0，將 V4 的 AC 幅度設(shè)置為 1，進(jìn)行 AC 分析，采用與輸入 阻抗類似的計(jì)算方法，得到電路的輸出阻抗 Ro 隨頻率的變化曲線，并標(biāo)注出 100Hz 處的阻 抗值。圖 2. 多級放大器輸出阻抗仿真電路思考：若放大器輸出電壓信號激勵(lì)后級放大器，根據(jù)仿真得到的結(jié)果，后級放大器的輸入阻抗至少為多少才能忽略負(fù)載的影響？ 若后級放大器輸入阻抗較低，采取什么措施可以提高放大器的驅(qū)動(dòng)能力？解：100Hz時(shí)的輸出阻

6、抗值=32.6843k。R0隨頻率的變化曲線：思考：后級放大器的輸入阻抗至少為該放大器輸出阻抗的十倍時(shí)才可忽略負(fù)載，Ri326.943k；提高放大器的驅(qū)動(dòng)能力可以減小該放大器的輸出阻抗，可以在輸出端并聯(lián)一個(gè)小電阻。3. 多級放大器的頻率補(bǔ)償作為放大器使用時(shí)，圖 1 所示電路一般都要外加負(fù)反饋。若放大器內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)全補(bǔ)償， 外部電路可以靈活的施加負(fù)反饋，避免振蕩的反生，即要求放大器單位增益處的相位不低于-135。為此，需要對電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償。 實(shí)驗(yàn)任務(wù)：1 簡單電容補(bǔ)償 按照圖 1 所示電路，將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設(shè)置為 2V，AC 輸入幅度都設(shè)置為 0.5V，相位相差 180，

7、根據(jù)電路分析并結(jié)合 AC 仿真結(jié)果找出電路主極點(diǎn)位置，并采用 簡單電容補(bǔ)償方法進(jìn)行頻率補(bǔ)償，通過仿真得到最小補(bǔ)償電容值，使得單位增益處相位不低 于-135，提交補(bǔ)償后 V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并標(biāo)注出上限頻率 fH 和增益為 0dB 時(shí)的相位。解：單位增益即增益=1=0dB仿真得,最小補(bǔ)償電容C1=3.5uF。產(chǎn)生第一個(gè)極點(diǎn)角頻率的節(jié)點(diǎn)一般是電路中阻抗最高的節(jié)點(diǎn)，本圖中為輸出端。故,補(bǔ)償電容接在輸出電壓與地之間。 補(bǔ)償后V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線：上限頻率為1.9772Hz0dB相位為-133.90042 密勒補(bǔ)償按照圖 3 所示電路，對電路進(jìn)行密勒補(bǔ)償，其中 Q1 和

8、 Q5 構(gòu)成補(bǔ)償支路的電壓跟隨器。 將輸入信號 V2 和 V3 的直流電壓設(shè)置為 2V，AC 輸入幅度都設(shè)置為 0.5V，相位相差 180， 進(jìn)行 AC 仿真分析，通過仿真得到最小補(bǔ)償電容值，使得輸出電壓 V(3)在單位增益處相位不 低于-135，提交補(bǔ)償后 V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并標(biāo)注出上限頻率 fH 和增益 為 0dB 時(shí)的相位。若輸出電壓為 V(9)，補(bǔ)償后相位要求相同，通過 AC 仿真分析得到所需 要的最小補(bǔ)償電容。圖 3. 多級放大器的密勒補(bǔ)償解：(1)仿真得,最小補(bǔ)償電容C1=114pF。補(bǔ)償后V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線：上限頻率為227.7293Hz0d

9、B相位為-134.5171(2)仿真得,最小補(bǔ)償電容C1=207pF。補(bǔ)償后V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線：上限頻率為135.7625Hz0dB相位為-134.52284. 反饋放大器圖 1 所示多級放大器具有較高的增益，線性放大時(shí)輸入動(dòng)態(tài)范圍很小。實(shí)際使用中，必須施加負(fù)反饋才能作為線性放大器使用。在圖 3 的基礎(chǔ)上，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同時(shí)改為 正負(fù)電源供電，如圖 4 所示（密勒補(bǔ)償電容 C1 的值請采用實(shí)驗(yàn)任務(wù) 3 中得到的結(jié)果）。圖 4. 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器實(shí)驗(yàn)任務(wù)：1 將輸入信號 V2 的直流電壓設(shè)置為 0V，AC 輸入幅度都設(shè)置為 1V，進(jìn)行 AC 仿真分析， 得到輸出電壓

10、V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并在圖中標(biāo)注上限頻率 fH。解：V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線：上限頻率為2.1740MHz2 按照實(shí)驗(yàn)任務(wù) 2 中的分析方法，通過 AC 仿真得到電路的輸出阻抗隨頻率的變化曲線， 并標(biāo)注 100Hz 處的值，并與沒有施加負(fù)反饋的輸出阻抗進(jìn)行對照，結(jié)合理論分析解釋阻抗 的變化。解：使用外接源方法測量輸出阻抗:100Hz時(shí)的輸出阻抗值=404.6480m。沒有施加負(fù)反饋的輸出阻抗：100Hz時(shí)的輸出阻抗值=32.6843k。分析：負(fù)反饋會(huì)使放大器指標(biāo)趨于理想化，對于電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸出阻抗會(huì)減小。3 反饋電阻 R2 和 R3 的值分別改為 10 和 100，R4 的值改為 10/100，重復(fù)1 的仿真， 得到 V(3)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線；同時(shí)按照圖 4 中 V2 的設(shè)置條件進(jìn)行瞬態(tài)仿真， 得到輸出電壓 V(3)的波形，觀察波形是否失真，并給出合理的解釋。解：V(3)的幅