差分放大電路仿真分析

1、差分放大電路仿真分析差分放大電路是集成運(yùn)算放大器的主要單元電路之一，它具有很強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移的能力。作為集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)，差分放大電路幾乎完全決定著集成運(yùn)算放大器的差模輸入特性、共模抑制特性、輸入失調(diào)特性和噪聲特性。差分放大電路經(jīng)由兩個(gè)參數(shù)完全相同的晶體管組成，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱。電路具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，因此差分放大電路具有四種形式：單端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出以及雙端輸入雙端輸出。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：一、理想差分放大電路1、繪制電路圖啟動(dòng)Capture CIS程序，新建工程，利用Capture CIS繪圖軟件，繪制如下的電路原理圖。雙擊正弦電壓源VS+的圖標(biāo)，在彈出的窗

2、口中設(shè)置AC為10mV，DC為0V，VOFF為0，VAMPL為10m，VFREQ1kHz。VS-的設(shè)置除AC為-10mV外，其余均與VS+同。2、直流工作點(diǎn)分析選擇Spice | New Simulation Profile功能選項(xiàng)或單擊按鈕，打開New Simulation對(duì)話框，在Name文本框中輸入Bias，單擊 Create按鈕，彈出Simulation Settings-Bias對(duì)話框，設(shè)置如下：保存設(shè)置，啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，調(diào)出PSpice A/D窗口，可以在PSpice A/D窗口中選擇View | OutPut Filse功能菜單選項(xiàng)，查看輸出文件。在Captur

3、e CIS窗口中，單擊I 、V按鈕，此時(shí)電路圖中顯示電路的靜態(tài)工作電壓與電流值，如下圖：3、雙端輸入是的基本特性上面的電路是雙端輸入的形式，可以利用上面的電路來分析雙端輸入時(shí)的電路特性。將分析類型設(shè)為交流掃描分析AC Sweep。選擇PSpice | New Simulation Profile功能選項(xiàng)或單擊按鈕，打開New Simulation對(duì)話框，在Name文本框中輸入AC，單擊 Create按鈕，彈出Simulation Settings-AC對(duì)話框，設(shè)置如下：啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，顯示空的PSpice A/D窗口，選擇Trace | Add Trace命令，在Add Tr

4、ace窗口中設(shè)置如下圖，即觀察單端輸出時(shí)的電壓增益：V(OUT1)/ (V(VS+:+)-V(Vs-:+)。再次彈出Add Trace窗口，設(shè)置仿真輸出變量為雙端電壓增益，表達(dá)式為：(V(OUT1)-V(OUT2)/(V(VS+:+)-V(Vs-:+)，結(jié)果如下圖。利用光標(biāo)工具Cusor測(cè)得單端輸出時(shí)的差模電壓增益正好是雙端輸出時(shí)的一半。由于差分放大電路的兩邊完全對(duì)稱，所以兩個(gè)輸出端輸出的是幅度相同，相位相差180度的信號(hào)。圖中可以測(cè)得兩條曲線的上行截止頻率相同。對(duì)于雙端輸入的共模特性分析如下：對(duì)電路圖中信號(hào)源VS-的AC屬性改為10mV，其它與信號(hào)源VS+一樣，這樣就相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端上加了

5、相同的信號(hào)。分析類型仍然為交流掃描分析。啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，顯示空的PSpice A/D窗口，選擇Trace | Add Trace命令，在Add Trace窗口中設(shè)置如下圖，即觀察單端輸出時(shí)的電壓增益：V(OUT1)/ V(VS+:+)。再次彈出Add Trace窗口，設(shè)置仿真輸出變量為雙端電壓增益，表達(dá)式為：(V(OUT1)-V(OUT2)/V(VS+:+)，結(jié)果如下圖。雙端輸出的共模電壓增益為零。在中低頻段單端輸出時(shí)的共模電壓增益也很小。隨著頻率的增加，共模電壓增益會(huì)急劇增加，增加到一定程度后不會(huì)再有劇烈的增減，但無論如何這個(gè)小于1。4、單端輸入時(shí)的基本特性在差分放大電路中

6、如果輸入信號(hào)是通過在兩個(gè)輸入端加上大小相等、相位相反的信號(hào)，則稱為雙端輸入，如果輸入信號(hào)是從一端接入，而另一端輸入信號(hào)為零，則稱為單端輸入。修改電路圖，雙擊電源VS-，將其AC、VOFF、VAMPL及FREQ屬性均該為零。選擇PSpice | Markers | Voltage Level 功能選項(xiàng)或單擊按鈕分別在OUT1和OUT2各放置一個(gè)電壓探針，再選擇PSpice | Markers | Voltage Differential功能選項(xiàng)，觀察兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓差，將正端放置在OUT1，負(fù)端放置在OUT2，結(jié)果如下圖：分析類型選擇交流掃描分析AC Sweep。分析設(shè)置與前面的雙端輸入時(shí)分析

7、差模電壓增益時(shí)一樣。啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，輸出曲線如下圖：圖中可以看到三條曲線，使用工具Cusor 測(cè)得輸出端OUT1和OUT2的輸出電壓均為503.286mV，雙端輸出電壓正好是單端輸出電壓的兩倍。觀察各種輸出方式中各輸出端輸出的瞬態(tài)波形和相位關(guān)系。選擇PSpice | New Simulation Profile功能選項(xiàng)或單擊按鈕，打開New Simulation對(duì)話框，在Name文本框中輸入Tran，單擊 Create按鈕，彈出Simulation Settings-Tran對(duì)話框，設(shè)置如下：防止探針同上，啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，輸出曲線如下圖：圖中可以看出輸出端O

8、UT1和OUT2的輸出也是幅度大小形同、相位相反的正弦波，而且在直流輸出時(shí)具有直流偏移，這個(gè)直流偏移是由兩個(gè)晶體管Q1和Q2的的靜態(tài)電壓偏置電壓引起的。而在雙端輸出時(shí)，直流偏移為零，這是由于兩端(OUT1、OUT2)的直流偏移相反，互相抵消的緣故。通過上述分析可知，無論是單端輸入方式還是雙端輸入方式，只要輸出方式一致，放大倍數(shù)就相等，而且單端輸出時(shí)的放大倍數(shù)是雙端輸出時(shí)的一半。二、非理想對(duì)稱的差分放大電路在實(shí)際的差分放大電路中往往很難實(shí)現(xiàn)電路的完全對(duì)稱，由于配對(duì)晶體管參數(shù)失配和集電極負(fù)載電阻Rc的失配而使差分放大電路的性能變差，主要表現(xiàn)為：當(dāng)輸入加差模信號(hào)時(shí)輸出會(huì)產(chǎn)生共模分量，當(dāng)輸入加共模信號(hào)

9、分量時(shí)輸出會(huì)產(chǎn)生差模分量。如果下一級(jí)也是差分放大電路，這種差模輸入共模輸出的轉(zhuǎn)換將對(duì)整個(gè)放大電路的性能產(chǎn)生不利影響。修改前面的電路，將R1的大小改為5k，將集電極電阻Rc2調(diào)整為2.5k。選中晶體管Q2，選擇Edit | PSpice Model 功能菜單，修改元件的Bf為200，Ise為20F，Rb為20，并保存。先輸入差模信號(hào)，即修改RS2的AC為-10mV，其余項(xiàng)與RS1相同。在OUT1與OUT2端分別放置一個(gè)電壓探針，進(jìn)行交流小信號(hào)分析。啟動(dòng)PSpice A/D仿真程序，輸出曲線如下圖：使用貫標(biāo)工具Cursor可測(cè)得在中低頻正向輸出端電壓和反相端電壓，兩者相位相反。差模輸入共模輸出這種輸出模式對(duì)多級(jí)差分放大電路對(duì)的影響不大。下面討論共模輸入差模輸出的電路特性。修改輸入信號(hào)源VS+和VS-的AC項(xiàng)都為1V，進(jìn)行交流小信號(hào)分析設(shè)置。設(shè)置與前面理想差分放大電路中的雙端輸入的分析相同。輸出的共模信號(hào)在經(jīng)過下一級(jí)差分放大電路時(shí)經(jīng)過強(qiáng)烈的抑制作用使其迅速衰減，而輸出的差模信號(hào)時(shí)下一級(jí)差分放大電路的輸入信號(hào)，會(huì)被放大傳送到輸出端，這點(diǎn)影響很大。通過分析表明，對(duì)于非理想對(duì)稱