东南大学信息学院 模电实验四
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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
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。
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:
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-=-=-=+=-=⋅=-=⋅==-==+===