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Vic与差模信号Vid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Vic。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Vo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Vid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Vic大得多的输出电压Vo。
(二)恒流源型差动放大器
增大发射极偏置电阻RE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RE,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IR数值,镜像恒流源Q3Q4、Q5Q6以IR作为参考,分别提供差分对管Q1Q2的静态工作点电流2ICQ以及负载RL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IC1与IC8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IC1、IC2完全相等,其中包括了差分对管Q1与Q2的静态工作点电流ICQ以及共模信号电流。因此Io=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IC1、IC2包括了放大的差模信号电流,它们幅度相等、相位相反,因此Io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IC3的波动幅度ΔIC3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AVd、上截止频率fH。
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ri。
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ro。
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