東南大學(xué)-信息學(xué)院-2018-電子線路-模電實(shí)驗(yàn)四報(bào)告(共16頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上東南大學(xué)模擬電子電路實(shí)驗(yàn)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告學(xué)號(hào) 姓名 2018年 4 月 21 日實(shí)驗(yàn)名稱 差分放大器 成 績(jī)【背景知識(shí)小考察】根據(jù)圖4-10所示電路，計(jì)算該電路的性能參數(shù)。已知晶體管的導(dǎo)通電壓VBE(on)=0.55, =500，|VA|=150 V，試求該電路中晶體管的靜態(tài)電流ICQ，節(jié)點(diǎn)1和2的直流電壓V1、V2，晶體管跨導(dǎo)gm，差模輸入阻抗Rid，差模電壓增益Avd，共模電壓增益Avc和共模抑制比KCMR，請(qǐng)寫出詳細(xì)的計(jì)算過程，并完成表4-1。圖4-10 差分放大器實(shí)驗(yàn)電路表4-1：ICQ（mA）V1（V）V2（V）gm（mS）Rid（k）AvdAvcKCMR1.

2、032.942.9439.6211.16-79.24-219.81計(jì)算過程如下：所以，2.06A【一起做仿真】1. 在Multisim中設(shè)計(jì)差分放大器，電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖4-10所示，進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析（DC分析），得到電路的工作點(diǎn)電流和電壓，完成表4-2，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。表4-2：ICQ（mA）V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）-1.001252.997502.997501.003411.576511.55492仿真設(shè)置：Simulate Analyses DC Operating Point，設(shè)置需要輸出的電壓或者電流。2. 在圖4-10所示電路中，固定輸入信號(hào)頻率為2k

3、Hz，輸入不同信號(hào)幅度時(shí)，測(cè)量電路的差模增益。采用Agilent示波器（Agilent Oscilloscope）觀察輸出波形，測(cè)量輸出電壓的峰峰值（peak-peak），通過“差模輸出電壓峰峰值/差模輸入電壓峰峰值”計(jì)算差模增益Avd，用頻譜儀器觀測(cè)節(jié)點(diǎn)1的基波功率和諧波功率，并完成表4-3（注意選擇合適的解析頻率）。表4-3：輸入信號(hào)單端幅度（mV）11020Avd145.89140.5126 基波功率P1(dBm)-35.351-8.891-3.780二次諧波功率P2(dBm)-101.297-65.925-55.627三次諧波功率P3(dBm)-106.293-51.536-36.22

4、8輸入信號(hào)單端幅度1mV峰峰值為291.78mV；145.89輸入信號(hào)單端幅度10mV峰峰值為2.81V；140.5輸入信號(hào)單端幅度20mV峰峰值為5.04V；126思考：表4-3中的Avd在不同輸入信號(hào)幅度的時(shí)候一樣嗎？若不一樣，請(qǐng)解釋原因？答：在不同輸入信號(hào)幅度的時(shí)候不一樣?？赡苁且?yàn)?，?dāng)足夠小時(shí)，在原點(diǎn)附近的很小變化范圍內(nèi)差模傳輸特性曲線可以看作是一段直線，直線的斜率為，但是事實(shí)上并不是一條直線，則的值也隨著的不同而略有變化。并且差模電壓增益為，的不同會(huì)造成的偏差。此外，當(dāng)信號(hào)幅度增大時(shí)，對(duì)直流工作點(diǎn)有影響，增益不同，而且信號(hào)幅度越大，失真越嚴(yán)重，產(chǎn)生更多的高頻諧波。3. 在圖4-10所

5、示電路中，將輸入信號(hào)V2的信號(hào)幅度設(shè)置為10mV(Vpk，信號(hào)振幅)，頻率為2kHz，輸入信號(hào)V3的信號(hào)幅度設(shè)置為0，仿真并測(cè)量輸出信號(hào)幅度。若輸出信號(hào)V1和V2的幅度不一致，請(qǐng)解釋原因，并寫出詳細(xì)的計(jì)算和分析過程，計(jì)算過程可以直接采用表4-1中的性能參數(shù)。答：由圖中可知，輸出信號(hào)V1的peak-peak=703.31mV，V2的peak-peak=741.51mV。因此，實(shí)際測(cè)得電壓的峰峰值稍有不同。 原因可能是，在兩端輸入任意信號(hào)， 即既有共模分量， 也有差模分量的情況下， 雙端輸出時(shí)， 共模分量相抵， 不需要考慮共模的增益， 而在單端輸出時(shí)則需要考慮共模分量帶來的增益， 所以仿真得輸出信

6、號(hào) V1 和 V2 的幅度有略微的差異。計(jì)算過程如下：（1）計(jì)算值： （2）仿真值： 由計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，兩輸出端的信號(hào)幅度存在差異，數(shù)值與仿真結(jié)果基本一致。4. 在圖4-10所示電路中，將輸入信號(hào)V2和V3設(shè)置成共模輸入信號(hào)信號(hào)頻率2kHz，信號(hào)幅度10mV，相位都為0°，仿真并測(cè)量輸出信號(hào)的幅度，計(jì)算電路的共模增益，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。仿真設(shè)置：Simulate Run，也可以直接在Multisim控制界面上選擇運(yùn)行，通過Agilent示波器測(cè)量輸出波形幅度。輸出信號(hào)幅度如下：由于是共模信號(hào)，當(dāng)V2-V3時(shí)，輸出基本為0。對(duì)于共模信號(hào)，輸出應(yīng)為一端的輸出電壓值，此電路的輸出應(yīng)為38.2

7、9mV。觀察信號(hào)輸出幅度圖，可知：仿真值：而計(jì)算值：通過比較計(jì)算值與仿真值，可以認(rèn)為計(jì)算值與仿真值基本一致。思考：若需要在保證差模增益不變的前提下提高電路的共模抑制能力，即降低共模增益，可以采取什么措施？請(qǐng)給出電路圖，并通過仿真得到電路的共模增益和差模增益。采用有源負(fù)載，通過提高等效電阻來降低共模增益。修改后電路圖如下：差模輸出波形：所以，即差模增益保持不變。共模輸出波形：所以，有效地提高了共模抑制比。由以上計(jì)算過程可知，電路滿足要求。5. 采用圖4-13所示電路對(duì)輸入直流電壓源V2進(jìn)行DC掃描仿真，得到電路的差模傳輸特性。 電壓掃描范圍1.35V1.75V，掃描步進(jìn)1mV，得到電阻R2和R3

8、中電流差隨V2電壓的變化曲線，即輸出電流的差模傳輸特性，并在差模輸出電流的線性區(qū)中點(diǎn)附近測(cè)量其斜率，得到差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照（VBE(on)=0.55, =500）；圖4-13 差分放大器傳輸特性實(shí)驗(yàn)電路1計(jì)算圖示曲線斜率得，gm=37.2392mS計(jì)算得：gm=38.804mS,計(jì)算值與仿真值基本一致。 若將V3電壓改為1V，再掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V1.2V，掃描步進(jìn)1mV，與中一樣，通過仿真得到差模傳輸特性，在傳輸特性的線性區(qū)測(cè)量差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。利用標(biāo)尺可測(cè)量出傳輸特性線性區(qū)域?qū)?yīng)的斜率為 17.8052mS， 即差分放大器的跨導(dǎo)gm=17.80

9、52mS， 計(jì)算結(jié)果 gm=17.3mS， 計(jì)算值與仿真值基本一致。 若將圖4-4中的電阻R1改為理想直流電流源，如圖4-14所示。與中一樣，固定V3電壓為1V，掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V1.2V，掃描步進(jìn)1mV，通過仿真得到差模傳輸特性，并與中仿真結(jié)果對(duì)照，指出二者結(jié)果的異同并給出解釋。仿真結(jié)果圖4-14 差分放大器傳輸特性實(shí)驗(yàn)電路2利用標(biāo)尺可測(cè)量出傳輸特性線性區(qū)域?qū)?yīng)的斜率為 37.2764mS， 即差分放大器的跨導(dǎo)gm=37.2764mS， 與仿真任務(wù) 2 中的跨導(dǎo) gm=17.8052mS 比較， 兩者有著較大的差異分析：由于gm=38.5ICQ，而仿真任務(wù) 3 中的直流工作點(diǎn)電

10、流ICQ = 1mA，仿真任務(wù) 2 中的直流工作點(diǎn)電流為ICQ= V3-VBEon38.5ICQ=0.45mA，可得兩個(gè)電路的直流工作點(diǎn)不同， 所以相應(yīng)的 gm也就不同。思考：(1) 在仿真任務(wù)中，若V2的電壓掃描范圍改為0V5V，測(cè)量電源電壓V2和V3中的電流，即三極管的基極電流，與理論分析一致嗎？參考硬件實(shí)驗(yàn)中給出的MAT02EH內(nèi)部電路，給出解釋。硬件實(shí)驗(yàn)中，由于誤操作，三極管基極可能接地或者接電源，若電流過大，可能導(dǎo)致晶體管損壞，如何避免這種誤操作導(dǎo)致的基極電流過大?仿真結(jié)果：V2 電壓較小時(shí)， 三極管的基極電流幾乎不變， 而隨著 V2 電壓增大到一定程度時(shí)， 三極管的基極電流就會(huì)隨之

11、增大， 這與理論分析不一致。原因： V2 為三極管的基極電壓， 當(dāng)基極電壓過大時(shí)， 三級(jí)管 BE 兩端的 PN 結(jié)就會(huì)被擊穿，導(dǎo)致基極電流的不斷增大。在接入電源之前， 先檢查電路連接， 檢查是否有誤操作。 或者可以在三極管的基極上接入適當(dāng)?shù)碾娮栌靡员Ｗo(hù)三極管。(2) 比較差模傳輸特性仿真任務(wù)和，差模輸出電流隨V2的變化趨勢(shì)一樣嗎？若有差異，原因是什么？仿真任務(wù) 1：仿真任務(wù) 2：由上述仿真結(jié)果可知， 仿真任務(wù) 1 與仿真任務(wù) 2 中， 差模輸出電流的變化趨勢(shì)類似， 但在差模輸出電流接近 0 時(shí)對(duì)應(yīng)近似線性區(qū)域的斜率不同。這是因?yàn)榛鶚O電壓的不同導(dǎo)致了直流工作點(diǎn)的不同， 仿真任務(wù) 1 中的直流工作

12、點(diǎn)電流為 1mA， 而仿真任務(wù) 2 中的直流工作點(diǎn)電流是 0.45mA， 所以相應(yīng)線性區(qū)域的斜率不同?！緞?dòng)手搭硬件】1. 按照?qǐng)D4-10所示電路在面包板上設(shè)計(jì)電路，并進(jìn)行測(cè)試和分析。本實(shí)驗(yàn)采用POCKET LAB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的直流+5V電源、信號(hào)發(fā)生器和示波器。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生差分信號(hào)，示波器采用雙通道同時(shí)顯示，儀器界面截圖如圖4-16所示。差分對(duì)管MAT02EH的管腳分布如圖4-17所示，封裝形式為TO-78，可以參閱該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)。 測(cè)量電路各點(diǎn)的直流工作點(diǎn)，完成表4-4。表4-4：V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）3.043.040.971.571.55 采用POCKET

13、 LAB信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生差分信號(hào)，通過示波器同時(shí)觀測(cè)兩路輸出波形。設(shè)置合理的顯示參數(shù)并截圖，根據(jù)截圖數(shù)據(jù)中的波形峰峰值計(jì)算電路的差模增益。請(qǐng)?zhí)峤惠斎胄盘?hào)單端振幅為10mV，頻率為2kHz時(shí)的兩路輸出波形，并根據(jù)示波器顯示的輸出峰峰值計(jì)算差模增益Avd。由兩路輸出波形的峰峰值即可計(jì)算出差模輸出電壓峰峰值為 2.444V。差模電壓增益 Avd=2.444/0.02=122.2。 將兩路輸入信號(hào)改為相同的信號(hào)，頻率2kHz，振幅為10mV，得到兩路輸出信號(hào)的波形并提交截圖。思考：若直流電壓V1和V2不一樣，可能是什么原因?如何調(diào)整電路可以使得輸出直流電壓 V1和V2更加一致？答：V1 和 V2 有細(xì)微

14、差別。由于電路在搭接時(shí)不能做到完全對(duì)稱，導(dǎo)致差分對(duì)管 工作電路不能完全相等， 從而使 VCC 經(jīng)過集電極電阻產(chǎn)生的壓降不同?？稍诩?極串聯(lián)小的補(bǔ)償電阻，在不產(chǎn)生對(duì)增益大的影響的前提下使 V1=V2。2. 差模傳輸特性按照?qǐng)D4-18所示電路在面包板上設(shè)計(jì)電路，并測(cè)試差模傳輸特性。圖中R7為010k可變電阻。V1采用POCKETLAB信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1.6V直流電壓（信號(hào)幅度為0，DC OFFSET為1.6V）。圖4-18 差模傳輸特性硬件實(shí)驗(yàn)電路圖 R4=R5=1 k, 手動(dòng)調(diào)節(jié)可變電阻R7，逐點(diǎn)測(cè)量節(jié)點(diǎn)8電壓，節(jié)點(diǎn)4及節(jié)點(diǎn)7的電壓差（通過該電壓差計(jì)算差模電流），在1.6V附近步長(zhǎng)可以取小一點(diǎn)，

15、提高測(cè)量精度，過了限幅區(qū)步長(zhǎng)可以增加。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，以節(jié)點(diǎn)8電壓為X軸，差模輸出電流為Y軸，得到電路的差模傳輸特性，并在差模輸出電流0附近測(cè)量其斜率，即放大器跨導(dǎo)。V4(V)V7(V)V4-V7(V)IC(mA)V8(V)3.195.00-1.81-0.9051.393.304.95-1.65-0.8251.473.454.86-1.41-0.7051.543.54.8-1.31-0.6551.553.714.6-0.89-0.4451.573.884.42-0.54-0.271.584.244.040.20.11.64.413.850.560.281.614.593.660.930.4561

16、.624.633.611.020.511.634.883.321.560.781.664.943.231.710.8551.675.043.04211.715.052.892.161.081.785.062.762.31.11.845.062.562.51251.94gm=18.2388mS R4=R5=20 k, 重復(fù)中的測(cè)量，并得到差模傳輸特性及其斜率。根據(jù)和的測(cè)量結(jié)果，對(duì)比分析串聯(lián)電阻對(duì)差模傳輸特性的影響，并給出理論分析過程。V8 V4V7V4-V7Ic(mA)1.43.094.95-1.86-0.931.453.14.94-1.84-0.921.473.134.92-1.79-0.89

17、51.493.164.89-1.73-0.8651.53.184.89-1.71-0.8551.513.224.82-1.6-0.81.523.34.74-1.44-0.721.533.324.71-1.39-0.6951.543.394.59-1.2-0.61.553.474.51-1.04-0.521.563.554.43-0.88-0.441.573.664.3-0.64-0.321.583.814.15-0.34-0.171.593.934.02-0.09-0.0451.64.063.880.180.091.614.213.710.50.251.624.333.630.70.351.634.423.510.910.4551.644.533.41.130.5651.654.593.331.260.631.674.733.141.590.7951.