[整理]东南大学信息学院 模电实验四.

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，熟悉共模增益概念；

3、掌握差分放大器差模传输特性。

实验内容：

一、实验预习

根据图4-1所示电路，计算该电路的性能参数。已知晶体管的导通电压)(on BE V =0.55，β=500，|V |A =150V ，试求该电路中晶体管的静态电流CQ I ，节点1和2的直流电压1V 、2V ，晶体管跨导m g ，差模输入阻抗id R ，差模电压增益d A v ，共模电压增益vc A 和共模抑制比

CMR K ，请写出详细的计算过程，并完成表4-1。

图4-1. 差分放大器实验电路

表4-1：

CQ

I （mA ） 1V （V ） 2V （V ） m g （mS ） id R

（k Ω） d A v

vc A

CMR K

1.03

2.94

2.94

39.62

11.16

-79.24

-2

19.81

计算过程如下：

58

178

5.0255.010⨯+=

⨯++BQ BQ I I β 所以，≈BQ I 2.06μA

mA 03.1≈=BQ CQ I I β V I V V Q 94.22521=-==

S V I g T

CQ m m 62.39≈=

Ω≈==k R g R r R e

b id 16.11//2//27m

7）（）（，β

24.79g //-g 2m 2m v -≈-≈=R r R A ce d ）

（ 22-

1

2

vc -==R R A 81.19|2

/|

vd ==vc

CMR A A K

二、仿真实验

1、在Multisim 中设计差分放大器，电路结构和参数如图4-1所示，进行直流工作点分析（DC 分析），得到电路的工作点和电压，完成表4-2，并与计算结果对照。 表4-2：

CQ I （mA ）

1V （V ）

2V （V ）

3V （V ）

5V （V ）

6V （V ）

1.00125

2.99750

2.99750

1.00341

1.57651

1.55492

仿真设置：Simulate--Analyses--DC Operating Point ，设置需要输出的电压或者电流。

2、在图4-1所示电路中，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。采用Agilent 示波器（Agilent Oscilloscope ）观察输出波形，测量输出电压的峰峰值（peak-peak ），通过“差模输出电压峰峰值/差模输入电压峰峰值”计算差模增益d A v ，用频谱仪器观察节点1的基波功率和谐波功率，并完成表4-3。 表4-3：

输入信号单端幅度

（mV ）

1 10 20 d A v

145.89

140.5

126

基波功率P1（dBm ） -23.535 -3.792 1.517 二次谐波功率P2

（dBm ） -96.401 -56.554 -44.954 三次谐波功率P3

（dBm ）

-103.321

-43.822

-27.179

①输入信号单端幅度1mV ：

峰峰值为291.78mV ；==

id

d V V A 2od

v 72.945。 ②输入信号单端幅度10mV ：

峰峰值为2.81V ；==

id

d V V A 2od

v 70.25。 ③输入信号单端幅度20mV ：

峰峰值为5.04V ；==

id

d V V A 2od

v 63。 仿真设置：Simulate--Run ，也可以直接在Multisim 控制界面上选择运行。在示波器中观察输出电压可以采用数学运算方式显示，即用1通道信号减2通道信号，显示设置按钮可以设置数学运算模式下的示波器显示参数。

思考：表4-3中的d A v 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：d A v 在不同输入信号幅度的时候不一样。可能是因为，当d V i 足够小时，在原点附近d V i 的很小变化范围内差模传输特性曲线可以看作是一段直线，直线的斜率为m g ，但是事实上并不是一条直线，则m g 的值也随着d V i 的不同而略有变化。并且差模电压增益为

,

m v -g L d R A ⋅=，m g 的不同会造成d A v 的偏差。此外，当信号幅度增大时，对直流工作点

有影响，增益不同，而且信号幅度越大，失真越严重，产生更多的高频谐波。

3、在图4-1所示电路中，将输入信号V2的信号幅度设置为10mV （Vpk ，信号振幅），频率为2kHz ，输入信号V3的信号幅度设置为0，仿真并测量输出信号幅度。若输出信号V1和V2的幅度不一致，请解释原因，并写出详细的计算和分析过程，计算过程可以直接采用表4-1中的性能参数。

仿真设置：Simulate--Run ，也可以直接在Multisim 控制界面上选择运行，通过Agilent 示波器测量输出波形幅度。

答：由图中可知，输出信号V1的peak-peak=703.29mV ，V2的peak-peak=741.45mV 。因此，实际测得电压的峰峰值稍有不同。

原因可能是，测量单端输出电压时需要考虑共模的增益，而双端输出时，不需要考虑共模的增益，而共模增益带来了幅度的略微差别。

将输入信号分解为差模和共模信号后，因为差模信号对于两边是大小相等方向相反的，而且差模增益比较大，所以决定了主要的输出信号的波形，即峰峰值大小相近，相位差180度；而共模信号虽然是大小相等方向相反，但因为共模增益比较小，所以对输出的波形影响比较小，形成了两信号幅度上略微的不一致。 计算过程如下： （1）计算值：

mV V V V mV V V V mV V A V mV

V A V V

V V V V V V V V V mV V o o id vd ic vc 2.3862

1

2.40621

4.79210m 10)(m 5)(21

模两者既非差模，也非共,0,10od oc

2od oc 1od oc 32id

32ic 32-=-=-=+=-=⋅=-=⋅==-==+===