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。