差分放大电路仿真分析

差分放大电路仿真分析
差分放大电路是集成运算放大器的主要单元电路之一，它具有很强的抑制零点漂移的能力。

作为集成运算放大器的输入级，差分放大电路几乎完全决定着集成运算放大器的差模输入特性、共模抑制特性、输入失调特性和噪声特性。

差分放大电路经由两个参数完全相同的晶体管组成，电路结构对称。

电路具有两个输入端和两个输出端，因此差分放大电路具有四种形式：单端输入单端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出以及双端输入双端输出。

实验内容：
一、理想差分放大电路
1、绘制电路图
启动Capture CIS程序，新建工程，利用Capture CIS绘图软件，绘制如下的电路原理图。

双击正弦电压源VS+的图标，在弹出的窗口中设置AC为10mV，DC为0V，VOFF为0，V AMPL为10m，VFREQ1kHz。

VS-的设置除AC为-10mV外，其余均与VS+同。

2、直流工作点分析
选择Spice | New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入Bias，单击Create按钮，弹出Simulation Settings-Bias对话框，设置如下：
保存设置，启动PSpice A/D仿真程序，调出PSpice A/D窗口，可以在PSpice A/D窗口中选择View | OutPut Filse功能菜单选项，查看输出文件。

在Capture CIS窗口中，单击I 、V按钮，此时电路图中显示电路的静态工作电压与电流值，如下图：
3、双端输入是的基本特性
上面的电路是双端输入的形式，可以利用上面的电路来分析双端输入时的电路特性。

将分析类型设为交流扫描分析AC Sweep。

选择PSpice | New Simulation
Profile功能选项或单击
按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入AC，单击Create按钮，弹出Simulation Settings-AC对话框，设置如下：
启动PSpice A/D仿真程序，显示空的PSpice A/D窗口，选择Trace | Add Trace 命令，在Add Trace窗口中设置如下图，即观察单端输出时的电压增益：V(OUT1)/ (V(VS+:+)-V(Vs-:+))。

再次弹出Add Trace窗口，设置仿真输出变量为双端电压增益，表达式为：(V(OUT1)-V(OUT2))/(V(VS+:+)-V(Vs-:+))，结果如下图。

利用光标工具Cusor测得单端输出时的差模电压增益正好是双端输出时的一半。

由于差分放大电路的两边完全对称，所以两个输出端输出的是幅度相同，相位相差180度的信号。

图中可以测得两条曲线的上行截止频率相同。

对于双端输入的共模特性分析如下：
对电路图中信号源VS-的AC属性改为10mV，其它与信号源VS+一样，这样就相当于在两个输入端上加了相同的信号。

分析类型仍然为交流扫描分析。

启动PSpice A/D仿真程序，显示空的PSpice A/D窗口，选择Trace | Add Trace命令，在Add Trace窗口中设置如下图，即观察单端输出时的电压增益：V(OUT1)/ V(VS+:+)。

再次弹出Add Trace窗口，设置仿真输出变量为双端电压增益，表达式为：(V(OUT1)-V(OUT2))/V(VS+:+)，结果如下图。

双端输出的共模电压增益为零。

在中低频段单端输出时的共模电压增益也很小。

随着频率的增加，共模电压增益会急剧增加，增加到一定程度后不会再有剧烈的增减，但无论如何这个小于1。

4、单端输入时的基本特性
在差分放大电路中如果输入信号是通过在两个输入端加上大小相等、相位相反的信号，则称为双端输入，如果输入信号是从一端接入，而另一端输入信号为零，则称为单端输入。

修改电路图，双击电源VS-，将其AC、VOFF、V AMPL及FREQ属性均该为零。

选择PSpice | Markers | V oltage Level 功能选项或单击按钮分别在OUT1
和OUT2各放置一个电压探针，再选择PSpice | Markers | V oltage Differential功能选项，观察两个节点之间的电压差，将正端放置在OUT1，负端放置在OUT2，结果如下图：
分析类型选择交流扫描分析AC Sweep。

分析设置与前面的双端输入时分析差模电压增益时一样。

启动PSpice A/D仿真程序，输出曲线如下图：
图中可以看到三条曲线，使用工具Cusor 测得输出端OUT1和OUT2的输出电压均为503.286mV，双端输出电压正好是单端输出电压的两倍。

观察各种输出方式中各输出端输出的瞬态波形和相位关系。

选择PSpice | New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，
在Name文本框中输入Tran，单击Create按钮，弹出Simulation Settings-Tran对话框，设置如下：
防止探针同上，启动PSpice A/D仿真程序，输出曲线如下图：
图中可以看出输出端OUT1和OUT2的输出也是幅度大小形同、相位相反的正弦波，而且在直流输出时具有直流偏移，这个直流偏移是由两个晶体管Q1和Q2的的静态电压偏置电压引起的。

而在双端输出时，直流偏移为零，这是由于两端(OUT1、OUT2)的直流偏移相反，互相抵消的缘故。

通过上述分析可知，无论是单端输入方式还是双端输入方式，只要输出方式一致，放大倍数就相等，而且单端输出时的放大倍数是双端输出时的一半。

二、非理想对称的差分放大电路
在实际的差分放大电路中往往很难实现电路的完全对称，由于配对晶体管参数失配和集电极负载电阻Rc的失配而使差分放大电路的性能变差，主要表现为：当输入加差模信号时输出会产生共模分量，当输入加共模信号分量时输出会产生差模分量。

如果下一级也是差分放大电路，这种差模输入—共模输出的转换将对整个放大电路的性能产生不利影响。

修改前面的电路，将R1的大小改为5k，将集电极电阻Rc2调整为2.5k。

选中晶体管Q2，选择Edit | PSpice Model 功能菜单，修改元件的Bf为200，Ise为20F，Rb为20，并保存。

先输入差模信号，即修改RS2的AC为-10mV，其余项与RS1相同。

在OUT1与OUT2端分别放置一个电压探针，进行交流小信号分析。

启动PSpice A/D仿真程序，输出曲线如下图：
使用贯标工具Cursor可测得在中低频正向输出端电压和反相端电压，两者相位相反。

差模输入—共模输出这种输出模式对多级差分放大电路对的影响不大。

下面讨论共模输入—差模输出的电路特性。

修改输入信号源VS+和VS-的AC项都为1V，进行交流小信号分析设置。

设置与前面理想差分放大电路中的双端输入的分析相同。

输出的共模信号在经过下一级差分放大电路时经过强烈的抑制作用使其迅速衰减，而输出的差模信号时下一级差分放大电路的输入信号，会被放大传送到输出端，这点影响很大。

通过分析表明，对于非理想对称的差分放大电路，在差模输入—共模输出和共模输入—差模输出两种情况下，共模输入—差模输出由于共模输入产生的差模信号本身就是干扰信号，这个差模信号经过下一级会被放大，对真正的差模信号会形成干扰，因而干扰十分严重；而差模输入产生的共模信号比差模信号小很多，而且经过下一级差分放大电路的共模抑制作用，它的影响将非常小。

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