东南大学信息学院 模电实验六

实验六多级放大器的频率补偿和反馈

实验目的：

1、掌握多级放大器的设计，通过仿真了解集成运算放大器内部核心电路结构；

2、掌握多级放大器基本电参数的定义，掌握基本的仿真方法；

3、熟悉多级放大器频率补偿的基本方法；

4、掌握反馈对放大器的影响。

实验内容：

1、多级放大器的基本结构及直流工作点设计

基本的多级放大器如图6-1所示，主要由偏置电路，输入差分放大器和输出级构成，是构成集成运算放大器核心电路的电路结构之一。其中偏置电路由电阻R1和三极管Q4构成，差分放大器由三极管Q3、NPN差分对管U2以及PNP差分对管U1构成，输出级由三极管Q2和PNP差分对管U3构成。

图6-1. 基本的多级放大器

实验任务：

①若输入信号的直流电压为2V，通过仿真得到图6-1中节点1，节点2,和节点3的直流工

V1（V）V2（V）V3（V）

14.42956 14.42958 8.38849

②若输出级的PNP管只采用差分对管U3中的一只管子，则放大器的输出直流电压为多少？

结合仿真结果给出U3中采用两只管子的原因。

V1（V）V2（V）V3（V）

14.41222 14.42958 7.07073

原因：将①和②对比后可以发现，V3的数值产生明显的变化。U3之所以采用两只管子，是因为这样可以增大输出电压，是工作点更稳定，提高直流工作点。

2、多级放大器的基本电参数仿真

实验任务：

①差模增益及放大器带宽

将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相差180。，采用AC分析得到电路的低频差模增益A vdI，并提交输出电压V（3）的幅频特性和相频特性仿真结果图；在幅频特性曲线中标注出电路的-3dB带宽，即上限频率f H；在相频特性曲线中标注出0dB处的相位。

答：低频差模增益A vdI=99.4103dB；

电压V（3）的幅频特性和相频特性仿真结果图：

由仿真图：

上限频率f H=1.3248kHz；

0dB处的相位=159.0916。

②共模增益

将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相同，采用AC分析得到电路的低频共模增益A VC，结合①中的仿真结果得到电路的共模抑制比K CMR，并提交幅频特性仿真结果图。

答：低频共模增益A VC=-12.6382dB；共模抑制比K CMR=200.61648。

幅频特性仿真结果图：

③差模输入阻抗

将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相差180。，进行AC分析，采用表达式R id=V(5)/I(V2)+V(6)/I(V3)得到差模输入阻抗R id，请提交R id随频率变化的曲线图，并在图上标记出100Hz处的阻抗值。

答：100Hz时的阻抗值=53.6175kΩ。

R id随频率变化的曲线图：

④输出阻抗

按照图6-2所示，在放大器输出端加隔直流电容C1和电压源V4，将V2和V3的直流电压设置为2V，AC幅度设置为0，将V4的AC幅度设置为1，进行AC分析，采用与输入阻抗类似的计算方法，得到电路的输出阻抗R0随频率的变化曲线，并标注出100Hz处的阻抗值。

图6-2. 多级放大器输出阻抗仿真电路

答：100Hz时的输出阻抗值=32.6843kΩ。

R0随频率的变化曲线：

思考：若放大器输出电压信号激励后级放大器，根据仿真得到的结果，后级放大器的输入阻抗至少为多少才能忽略负载的影响？若后级放大器输入阻抗较低，采取什么措施可以提高放大器的驱动能力？

答：后级放大器的输入阻抗至少为326.8kΩ时，才能忽略负载的影响。

在放大器输出端负载并联一个小电阻，以减小输出阻抗。

3、多级放大器的频率补偿

作为放大器使用时，图6-1所示电路一般都要外加负反馈。若放大器内部能够实现全补偿，外部电路可以灵活的施加负反馈，避免振荡的反生，即要求放大器单位增益处的相位不低于-135。。为此，需要对电路进行频率补偿。

实验任务：

①简单电容补偿

按照图6-1所示电路，将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相差180。，根据电路分析并结合AC仿真结果找出电路主极点位置，并采用简单电容补偿方法进行频率补偿，通过仿真得到最小补偿电容值，使得单位增益处相位不低于-135。，提交补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线，并标注出上限频率f H和增益为0dB时的相位。

答：最小补偿电容C1=3.35uF。

补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

②密勒补偿

按照图6-3所示电路，对电路进行密勒补偿，其中Q1和Q5构成补偿支路的电压跟随器。将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相差180。，进行AC仿真分析，通过仿真得到最小补偿电容值，使得输出电压V(3)在单位增益处相位不

低于-135。，提交补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线，并标注出上限频率f H和增益为0dB时的相位。若输出电压为V(9)，补偿后相位要求相同，通过AC仿真分析得到所需要的最小补偿电容。

图6-3. 多级放大器的密勒补偿

答：（1）输出电压为V(3)：

最小补偿电容值C1=113pF。

补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

（2）输出电压为V(9)：

最小补偿电容值C1=205pF。

补偿后V(9)的幅频特性曲线和相频特性曲线：