實(shí)驗(yàn)四_差分放大器

1、實(shí)驗(yàn)四 差分放大器實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 掌握差分放大器偏置電路的分析和設(shè)計(jì)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傳輸特性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：一、 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)根據(jù)圖4-1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(xiě)出詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，并完成表4-1。圖4-1. 差分放大器實(shí)驗(yàn)電路表4-1：ICQ（mA）V1（V）V2（V）gm（

2、mS）Rid（k）AvdAvcKCMR1.01662.9672.96739.18.679-78.186-1.94620.089二、仿真實(shí)驗(yàn)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4-1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）1.001252.99752.99751.00341.57651.5549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4-1所示電路中，固定輸入信

3、號(hào)頻率為2kHz，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(guò)“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。表4-3：輸入信號(hào)單端幅度（mV）11020Avd-72.945-70.25-63.00 基波功率P1(dBm)-24.179-4.5450.735二次諧波功率P2(dBm)-97.123-57.937-46.529三次諧波功率P3(dBm)-104.334-46.478-30.295仿真設(shè)

4、置：Simulate Run，也可以直接在Multisim控制界面上選擇運(yùn)行。在示波器中觀察差模輸出電壓可以采用數(shù)學(xué)運(yùn)算方式顯示，即用1通道信號(hào)減2通道信號(hào)，設(shè)置見(jiàn)圖4-2。顯示設(shè)置按鈕可以設(shè)置數(shù)學(xué)運(yùn)算模式下的示波器顯示參數(shù)，見(jiàn)圖4-3，采用圖中所示顯示調(diào)節(jié)按鈕可以分別調(diào)節(jié)Scale和Offset。圖4-2. 采用示波器測(cè)量差模電壓圖4-3. 數(shù)學(xué)運(yùn)算模式下的顯示調(diào)節(jié)思考： 輸入幅度1mV時(shí)，表4-3中的數(shù)據(jù)Avd和計(jì)算結(jié)果一致嗎？若有差異，請(qǐng)解釋差異主要來(lái)自什么方面？ 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：Avd在不同輸入信號(hào)幅度時(shí)不一樣。在不相同的信號(hào)

5、輸入時(shí)，、rbe、rce都不同。3. 在圖4-1所示電路中，將輸入信號(hào)V2的信號(hào)幅度設(shè)置為10mV(Vpk，單端信號(hào)幅度)，頻率為10kHz，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(xiě)出詳細(xì)的計(jì)算和分析過(guò)程，計(jì)算過(guò)程可以直接采用表4-1中的性能參數(shù)。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(guò)Agilent示波器測(cè)量輸出波形幅度。4. 在圖4-1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10kHz，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

6、路的共模增益，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。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(guò)仿真得到電路的共模增益和差模增益。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(guò)Agilent示波器測(cè)量輸出波形幅度。5. 采用圖4-4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2.35V2.75V，掃描步進(jìn)1mV，得到電阻R2和R3中電流差隨V2電壓的變化曲線(xiàn)，即輸出電流的差模傳輸特性，并在差模輸出電流的線(xiàn)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

7、對(duì)照（VBE(on)=0.55, =500）； 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(guò)仿真得到差模傳輸特性，在傳輸特性的線(xiàn)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。圖4-4. 差分放大器傳輸特性實(shí)驗(yàn)電路1 若將圖4-4中的電阻R1改為理想直流電流源，如圖4-5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(guò)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。圖4-5. 差分放大器傳輸特性實(shí)驗(yàn)電路2思考：a. 在仿真任務(wù)中，若V2的電壓掃描范圍改為0V15V，測(cè)量電源

8、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(guò)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(guò)大？當(dāng)電壓過(guò)大，基極電流會(huì)產(chǎn)生較大變化，與計(jì)算結(jié)果不一致。此時(shí)基極電壓過(guò)大，使基極和發(fā)射極之間的二極管被擊穿，基極電流不斷變大。為避免二極管被擊穿，因先測(cè)量各點(diǎn)電壓再接入差分對(duì)管。b. 比較仿真任務(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？變化趨勢(shì)相同，數(shù)值不同。兩個(gè)電路的基極電壓不同，導(dǎo)致工作點(diǎn)電流不相等，于是輸出差模電流也不相等。仿真設(shè)置

9、：Simulate Analyses DC Operating Point，設(shè)置掃描電壓源及掃描范圍和步進(jìn)，需要輸出的電壓或者電流。差模電流通過(guò)表達(dá)式計(jì)算得到，設(shè)置界面見(jiàn)圖4-6。在仿真結(jié)果中通過(guò)標(biāo)尺完成測(cè)量，設(shè)置如下：Grapher view Cursor Show Cursor，然后拖動(dòng)標(biāo)尺測(cè)量。圖4-6. 差模輸出電流的設(shè)置三、 硬件實(shí)驗(yàn)1、按實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)電路圖在面包板上搭接電路。1）測(cè)量電路各點(diǎn)的直流工作點(diǎn)，完成下表。圖4-8. MAT02EH管腳圖 測(cè)量電路的直流工作點(diǎn)，完成表4-4。表4-4：V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）3.083.070.941.561.53思考

10、：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？V1和V2有差別。由于電路在搭接時(shí)不能做到完全對(duì)稱(chēng)?？稍诩姌O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。輸入差模信號(hào)后，通過(guò)示波器同時(shí)觀測(cè)兩路輸出波形，示波器界面如圖4-10所示。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)單端振幅分別為5mV和10mV時(shí)的兩路差分輸出波形，并分別計(jì)算差分增益，信號(hào)頻率都為10kHz。 將兩路輸入信號(hào)改為相同的信號(hào)，頻率10kHz，振幅為10mV，得到兩路輸出信號(hào)的波形并提交截圖。2. 差模傳輸特性

11、在面包板上設(shè)計(jì)電路，并測(cè)試差模傳輸特性。R7為010k可變電阻。1)R4=R5=1k, 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(guò)該電壓差計(jì)算差模電流）。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)。 V8(V)V4(V)V7(V)V4-V7(V)I2-I31.74.862.782.081.041.694.852.822.031.0151.684.832.881.950.9751.674.822.931.890.9451.664.783.011.770.8851.65

12、4.713.091.620.811.644.683.141.540.771.634.593.261.330.6651.624.53.41.10.551.614.353.580.770.3851.64.213.780.430.2151.594.013.910.10.051.583.874.02-0.15-0.0751.573.674.18-0.51-0.2551.553.464.47-1.01-0.5051.533.24.67-1.47-0.7351.53.044.82-1.78-0.89gm=12.5mS.2)令R4=R5=20k，重復(fù)1）。測(cè)量結(jié)果：V8(V)V4(V)V7(V)V4-V7(V)I2-I31.53.24.73-1.53-0.7651.533.44.48-1.08-0.541.553.644.24-0.6-0.31.573.893.91-0.02-0.011.584.063.80.260.131.594.163.750.410.2051.64.273.580.690.3451.614.433.440.990.4951.624.523.31.220.611.634.583.231.350.6751.644.653.111.540.771.654.733.041.690.8451.664.82.981.820