通过本实验理解差分放大器的工作原理，了解差分放大器的设计方法。掌握放大器特性观察与参数测量的方法。

一、实验原理

（一）基本型差动放大器

      电路采用对称结构，具有很好的抑制共模能力。

      电路系统的输入信号包括共模信号V_ic与差模信号V_id两部分。

      工作环境对电路的影响，如环境温度的变化、电磁干扰、直流偏置电源的波动等，由此产生的干扰信号对于两个晶体管Q₁与Q₂的作用是相同的，即具有相同的幅度与相位，称为共模信号。将其等效换算至系统输入端，为共模输入信号V_ic。由于共模信号对于两个晶体管Q₁与Q₂的作用“完全”相同，由此产生的晶体管集电极电流与电压也相同，因此系统输出电压V_o必定为零。因此，双端输出的差动放大器能够“完全”抑制共模信号。

      差模信号是指幅度相同、相位相反的一对信号，是人为产生的有用信号。差模信号输入信号V_id使两个晶体管Q₁与Q₂产生相位相反的集电极电流与电压，产生比差模小信号V_ic大得多的输出电压V_o。

（二）恒流源型差动放大器

      增大发射极偏置电阻R_E可提高共模抑制比CMRR。恒流源具有极大动态阻抗的特点，采用恒流源代替基本型结构中的发射极偏置电阻R_E，能够显著地提高电路的共模抑制能力。

（三）有源负载型差动放大器

      由于双端输出形式的差动放大器具有很高的共模抑制比CMRR，因此利用镜像恒流源作为差分对管Q₁与Q₂的有源负载，实现双端输出形式的单端化，以便与下级系统的连接。

      有源负载型差动放大器使用Q₃Q₄、Q₅Q₆、Q₇Q₈三对镜像恒流源。参考电阻R₁决定参考电流I_R数值，镜像恒流源Q₃Q₄、Q₅Q₆以I_R作为参考，分别提供差分对管Q₁Q₂的静态工作点电流2I_CQ以及负载R_L的静态电流。

      有源负载由镜像电流源Q₇Q₈组成，晶体管Q₉代替了连接Q₇基极与集电极之间的短路线，在R₆=R₇时，Q₉连接方式能够显著减少短路线形式对Q₇集电极电流的分流，使I_C1与I_C8更接近。

      当系统差模输入为零时，差分对管Q₁与Q₂的集电极电流I_C1、I_C2完全相等，其中包括了差分对管Q₁与Q₂的静态工作点电流I_CQ以及共模信号电流。因此I_o=0，系统能够对共模信号进行充分抑制。

      当系统有差模输入时，差分对管Q₁与Q₂的集电极电流I_C1、I_C2包括了放大的差模信号电流，它们幅度相等、相位相反，因此I_o为双倍的单管信号输出电流。这样，镜像电流源Q₇Q₈组成的有源负载实现了双端输出形式的单端化。

二、实验内容

（一）差动放大器的瞬态分析

      信号源为正弦电压源VSIN(VOFF=0V，VAMPL=1mV ~1V，FREQ=1Hz)。

      仿真设置为Time Domain(Transient)：Run to(5s)，Start saving data(0s)，Maximun step(0.005s)。

      1、差动放大电路的最大动态范围

      测量双端与单端输出方式的基本型、恒流源型、有源负载型差动放大电路在输入差模信号频率为1Hz时，最大不失真输入与输出范围。

      2、差动放大电路的差模增益、共模增益、共模抑制比

      输入信号频率为1Hz。测量双端与单端输出方式的基本型、恒流源型、有源负载型差动放大电路的差模增益、共模增益、共模抑制比。

      3、镜像电流源的特性

      恒流源型差动放大电路的输入信号频率为1Hz。当电阻R₂与R₃都为51Ω或都为0.01Ω时，分别测量Q₃Q₄镜像电流源电流I_C3的波动幅度ΔI_C3以及恒流源型差动放大电路单端输出方式的差模增益、共模增益、共模抑制比。尝试分析电阻R₂与R₃除了镜像电流分配比以外的作用。

（二）差动放大器的交流扫描分析

      系统为有源负载型差动放大电路，共模输入信号源为零，差模输入信号源为扫频正弦电压源VAC(5mVac，0Vdc)，R₂分别取为51Ω与100Ω。

      仿真设置为AC Sweep/Noise：Logarithmic(Decade)，Start(1Hz)，End(100MegHz)，Point/Decade(100)。

      1、放大器差模增益的频率特性

      “Trace/Add Trace”命令下，增益分析变量表达式为V[RL:2]/V[Vid:+]，即电压增益。使用标尺测量中频(1Hz)增益A_Vd、上截止频率f_H。

      2、放大器输入阻抗的频率特性

“Trace/Add Trace”命令下，输入阻抗分析变量表达式为V[Vi:+]/I[Vid]，即信号源电压与电流之比。使用标尺测量中频(1Hz)处输入阻抗r_i。

      3、放大器输出阻抗的频率特性

      将放大器输入端的电压信号源用短路线代替，负载换为信号源Vt:VAC。

      “Trace/Add Trace”命令下，分析变量表达式为V[Vt:+]/I[Vt]，即信号源电压与电流之比。使用标尺测量中频(1Hz)处输出阻抗r_o。