實(shí)驗(yàn)四 差分放大器VIP

實(shí)驗(yàn)四差分放大器實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆詹罘址糯笃髌秒娐返姆治龊驮O(shè)計(jì)方法；掌握差分放大器差模增益和共模增益特性，熟悉共模抑制概念；掌握差分放大器差模傳輸特性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)根據(jù)圖4-1所示電路，計(jì)算該電路的性能參數(shù)。已知晶體管的導(dǎo)通電壓VBE(on)=0.55,β=500，|VA|=150V，試求該電路中晶體管的靜態(tài)電流ICQ，節(jié)點(diǎn)1和2的直流電壓V1、V2，晶體管跨導(dǎo)gm，差模輸入阻抗Rid，差模電壓增益Avd，共模電壓增益Avc和共模抑制比KCMR，請(qǐng)寫(xiě)出詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，并完成表4-1。圖4-1.差分放大器實(shí)驗(yàn)電路表4-1：ICQ（mA）V1（V）V2（V）gm（mS）Rid（kΩ）AvdAvcKCMR二、仿真實(shí)驗(yàn)1.在Multisim中設(shè)計(jì)差分放大器，電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖4-1所示，進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析（DC分析），得到電路的工作點(diǎn)電流和電壓，完成表4-2，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。表4-2：ICQ（mA）V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）仿真設(shè)置：Simulate→Analyses→DCOperatingPoint，設(shè)置需要輸出的電壓或者電流。2.在圖4-1所示電路中，固定輸入信號(hào)頻率為10kHz，輸入不同信號(hào)幅度時(shí)，測(cè)量電路的差模增益。采用Agilent示波器（AgilentOscilloscope）觀(guān)察輸出波形，測(cè)量輸出電壓的峰峰值（peak-peak），通過(guò)“差模輸出電壓峰峰值/差模輸入電壓峰峰值”計(jì)算差模增益Avd，用頻譜儀器觀(guān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1的基波功率和諧波功率，并完成表4-3。表4-3：輸入信號(hào)單端幅度（mV）11020Avd基波功率P1(dBm)二次諧波功率P2(dBm)三次諧波功率P3(dBm)仿真設(shè)置：Simulate→Run，也可以直接在Multisim控制界面上選擇運(yùn)行。在示波器中觀(guān)察差模輸出電壓可以采用數(shù)學(xué)運(yùn)算方式顯示，即用1通道信號(hào)減2通道信號(hào)，設(shè)置見(jiàn)圖4-2。顯示設(shè)置按鈕可以設(shè)置數(shù)學(xué)運(yùn)算模式下的示波器顯示參數(shù)，見(jiàn)圖4-3，采用圖中所示顯示調(diào)節(jié)按鈕可以分別調(diào)節(jié)Scale和Offset。圖4-2.采用示波器測(cè)量差模電壓圖4-3.數(shù)學(xué)運(yùn)算模式下的顯示調(diào)節(jié)思考：eq\o\ac(○,1)輸入幅度1mV時(shí)，表4-3中的數(shù)據(jù)Avd和計(jì)算結(jié)果一致嗎？若有差異，請(qǐng)解釋差異主要來(lái)自什么方面？eq\o\ac(○,2)表4-3中的Avd在不同輸入信號(hào)幅度的時(shí)候一樣嗎？若不一樣，請(qǐng)解釋原因？3.在圖4-1所示電路中，將輸入信號(hào)V2的信號(hào)幅度設(shè)置為10mV(Vpk，單端信號(hào)幅度)，頻率為10kHz，輸入信號(hào)V3的信號(hào)幅度設(shè)置為0，仿真并測(cè)量輸出信號(hào)幅度。若輸出信號(hào)V1和V2的幅度不一致，請(qǐng)解釋原因，并寫(xiě)出詳細(xì)的計(jì)算和分析過(guò)程，計(jì)算過(guò)程可以直接采用表4-1中的性能參數(shù)。仿真設(shè)置：Simulate→Run，也可以直接在Multisim控制界面上選擇運(yùn)行，通過(guò)Agilent示波器測(cè)量輸出波形幅度。4.在圖4-1所示電路中，將輸入信號(hào)V2和V3設(shè)置成共模輸入信號(hào)——信號(hào)頻率10kHz，信號(hào)幅度10mV，相位都為0°，仿真并測(cè)量輸出信號(hào)的幅度，計(jì)算電路的共模增益，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。思考：若需要在保證差模增益不變的前提下提高電路的共模抑制能力，即降低共模增益，可以采取什么措施？請(qǐng)給出電路圖，并通過(guò)仿真得到電路的共模增益和差模增益。仿真設(shè)置：Simulate→Run，也可以直接在Multisim控制界面上選擇運(yùn)行，通過(guò)Agilent示波器測(cè)量輸出波形幅度。5.采用圖4-4所示電路對(duì)輸入直流電壓源V2進(jìn)行DC掃描仿真，得到電路的差模傳輸特性。eq\o\ac(○,1)電壓掃描范圍2.35V~2.75V，掃描步進(jìn)1mV，得到電阻R2和R3中電流差隨V2電壓的變化曲線(xiàn)，即輸出電流的差模傳輸特性，并在差模輸出電流的線(xiàn)性區(qū)中點(diǎn)附近測(cè)量其斜率，得到差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照（VBE(on)=0.55,β=500）；eq\o\ac(○,2)若將V3電壓改為1V，再掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V~1.2V，掃描步進(jìn)1mV，與eq\o\ac(○,1)中一樣，通過(guò)仿真得到差模傳輸特性，在傳輸特性的線(xiàn)性區(qū)測(cè)量差分放大器的跨導(dǎo)，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)照。圖4-4.差分放大器傳輸特性實(shí)驗(yàn)電路1eq\o\ac(○,3)若將圖4-4中的電阻R1改為理想直流電流源，如圖4-5所示。與eq\o\ac(○,2)中一樣，固定V3電壓為1V，掃描V2的電壓，掃描范圍0.8V~1.2V，掃描步進(jìn)1mV，通過(guò)仿真得到差模傳輸特性，并與eq\o\ac(○,2)中仿真結(jié)果對(duì)照，指出二者結(jié)果的異同并給出解釋。圖4-5.差分放大器傳輸特性實(shí)驗(yàn)電路2思考：在仿真任務(wù)eq\o\ac(○,1)中，若V2的電壓掃描范圍改為0V~15V，測(cè)量電源電壓V2和V3中的電流，即三極管的基極電流，與理論分析一致嗎？參考硬件實(shí)驗(yàn)中給出的MAT02EH內(nèi)部電路，給出解釋。硬件實(shí)驗(yàn)中，由于誤操作，三極管基極可能接地或者接電源，若電流過(guò)大，可能導(dǎo)致晶體管損壞，如何避免這種誤操作導(dǎo)致的基極電流過(guò)大？比較仿真任務(wù)eq\o\ac(○,1)和eq\o\ac(○,2)，差模輸出電流隨V2的變化趨勢(shì)一樣嗎？若有差異，原因是什么？仿真設(shè)置：Simulate→Analyses→DCOperatingPoint，設(shè)置掃描電壓源及掃描范圍和步進(jìn)，需要輸出的電壓或者電流。差模電流通過(guò)表達(dá)式計(jì)算得到，設(shè)置界面見(jiàn)圖4-6。在仿真結(jié)果中通過(guò)標(biāo)尺完成測(cè)量，設(shè)置如下：Grapherview→Cursor→ShowCursor，然后拖動(dòng)標(biāo)尺測(cè)量。圖4-6.差模輸出電流的設(shè)置三、硬件實(shí)驗(yàn)1.按照?qǐng)D4-7所示的myDAQ連接示意圖在面包板上設(shè)計(jì)電路，并進(jìn)行測(cè)試和分析。示意圖中，+15V提供電源，AO-0和AO-1是兩路輸入信號(hào)，必須保證差分輸入，AI-0+和AI-1+是差分放大器的兩路輸出信號(hào)，接入myDAQ進(jìn)行分析和顯示，AI-0-和AI-1-需要接地。差分對(duì)管MAT02EH的管腳分布如圖4-8所示，封裝形式為T(mén)O-78，可以參閱該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)。圖4-7.差分放大器硬件實(shí)驗(yàn)電路及myDAQ連接示意圖圖4-8.MAT02EH管腳圖eq\o\ac(○,1)測(cè)量電路的直流工作點(diǎn)，完成表4-4。表4-4：V1（V）V2（V）V3（V）V5（V）V6（V）思考：若直流電壓V1和V2不一樣，可能是什么原因?如何調(diào)整電路可以使得輸出直流電壓V1和V2更加一致？eq\o\ac(○,2)按照?qǐng)D4-9所示，采用myDAQ任意波形發(fā)生器產(chǎn)生差分信號(hào)，并測(cè)量輸出波形。圖4-9.生成差分信號(hào)波形文件按照?qǐng)D示設(shè)置完成后，選擇file→saveas存儲(chǔ)波形文件，在后續(xù)的彈出窗口中文件格式選擇wdt，點(diǎn)擊NEXT后的參數(shù)取缺省值。將圖4-9中的波形設(shè)置部分的相位改為180°后再存一個(gè)wdt波形文件，得到兩個(gè)等幅反相的差模信號(hào)。然后在任意波形發(fā)生器打開(kāi)已存儲(chǔ)的兩個(gè)波形文件，并點(diǎn)擊run得到實(shí)際的輸出信號(hào)。輸入差模信號(hào)后，通過(guò)示波器同時(shí)觀(guān)測(cè)兩路輸出波形，示波器界面如圖4-10所示。設(shè)置合理的顯示參數(shù)并截圖，根據(jù)截圖數(shù)據(jù)中的波形峰峰值計(jì)算電路的差模增益。請(qǐng)?zhí)峤惠斎胄盘?hào)單端振幅分別為5mV和10mV時(shí)的兩路差分輸出波形，并分別計(jì)算差分增益，信號(hào)頻率都為10kHz。圖4-10.示波器界面eq\o\ac(○,3)將兩路輸入信號(hào)改為相同的信號(hào)，頻率10kHz，振幅為10mV，得到兩路輸出信號(hào)的波形并提交截圖。2.差模傳輸特性按照?qǐng)D4-11所示電路在面包板上設(shè)計(jì)電路，并測(cè)試差模傳輸特性。圖中R7為20kΩ~30kΩ可變電阻。AO-1采用myDAQ任意波形發(fā)生器產(chǎn)生2.55V直流電壓，產(chǎn)生方法參考硬件實(shí)驗(yàn)1（先編輯生成wdt文件）。圖4-11.差模傳輸特性硬件實(shí)驗(yàn)電路及myDAQ連接示意圖eq\o\ac(○,1)R4=R5=1kΩ,手動(dòng)調(diào)節(jié)可變電阻R7，逐點(diǎn)測(cè)量節(jié)點(diǎn)8電壓，節(jié)點(diǎn)4及節(jié)點(diǎn)7的電壓差（通過(guò)該電壓差計(jì)算差模電流），在2.55V附件步長(zhǎng)可以取小一點(diǎn)，提高測(cè)量精度，過(guò)了限幅區(qū)步長(zhǎng)可以增加。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，以節(jié)點(diǎn)8電壓為X軸，差模輸出電流為Y軸，得到電路的差模傳輸特性，并在差模輸出電流0附近測(cè)量其斜率，即放大器跨導(dǎo)。eq\o\ac(○,2)R4=R5=47kΩ,重復(fù)eq\o\ac(○,1)中的測(cè)量，并得到差模傳輸特性及其斜率。根據(jù)eq\o\ac(○,1)和eq\o\ac(○,2)的測(cè)量結(jié)果，對(duì)比分析串聯(lián)電阻對(duì)差模傳輸特性的影響，并給出理論分析過(guò)程。思考：若固定電阻