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东南大学信息学院-模电实验四

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=0.55，β=500，=150V，试求该电路中晶体管的静态电流，节点1和2的直流电压、，晶体管跨导，差模输入阻抗，差模电压增益，共模电压增益和共模抑制比，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
表4-1：
（mA）
（V）
（V）
（mS）

（kΩ）

1.03
2.94
2.94
39.62
11.16
-79.24
-2
19.81

计算过程如下：

所以，2.06μA

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。
表4-2：
（mA）
（V）
（V）
（V）
（V）
（V）
1.00125
2.99750
2.99750
1.00341
1.57651
1.55492

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，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：
输入信号单端幅度（mV）
1
10
20

145.89
140.5
126
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；72.945。
②输入信号单端幅度10mV：

峰峰值为2.81V；70.25。
③输入信号单端幅度20mV：

峰峰值为5.04V；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：在不同输入信号幅度的时候不一样。可能是因为，当足够小时，在原点附近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，但是事实上并不是一条直线，则的值也随着的不同而略有变化。并且差模电压增益为，的不同会造成的偏差。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：

（2）仿真值：

由计算可以发现，两输出端的信号幅度存在差异，方向相反，数值与仿真结果基本一致。

4、 在图4-1所示电路中，将输入信号V2和V3设置成共模输入信号--信号频率2kHz，信号幅度10mV，相位都为，仿真并测量输出信号的幅度，计算电路的共模增益，并与计算结果对照。
输出信号幅度如下：由于是共模信号，当V2-V3时，输出基本为0。对于共模信号，输出应为一端的输出电压值，此电路的输出应为38.25mV。

观察信号输出幅度图，可知：
仿真值：
而计算值：
通过比较计算值与仿真值，可以认为计算值与仿真值基本一致。

思考：若需要在保证差模增益不变的前提下提高电路的共模抑制能力，即降低共模增益，可以采取什么措施？请给出电路图，并通过仿真得到电路的共模增益和差模增益。
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。
修改后电路图如下：

①差模输出波形：

所以，，即差模增益保持不变。
②共模输出波形：

所以，，即共模增益大大减小。
由以上计算过程可知，电路满足要求。

5、 采用图4-2所示电路对输入直流电压源V2进行DC扫描仿真，得到电路的差模传输特性。
①电压扫描范围1.35--1.75V，扫描步进1mV，得到电阻R2和R3中电流差随V2电压的变化曲线，即输出电流的差模传输特性，并在差模输出电流的线性区中点附近测量其斜率，得到差分放大器的跨导，并与计算结果对照（，β=500）；

图4-2. 差分放大器传输特性实验电路1

答：输出电流的差模传输特性：

由图知，线性区中点附近斜率为：9.6678m，故差分放大器的跨导为：9.6678mS。
计算值为：39.62mS。

②若将V3电压改为1V，再扫描V2的电压，扫描范围0.8--1.2V，扫描步进1mV，与①中一样，通过仿真得到差模传输特性，在传输特性的线性区测量差分放大器的跨导，并与计算结果对照。
答：输出电流的差模传输特性：

由图知，线性区中点附近斜率为：4.5110m，故差分放大器的跨导为：4.5110mS。
计算值为：18.04mS。

③若将图4-2中的电阻R1改为理想直流电流源，如图4-3所示。与②中一样，固定V3电压为1V，扫描V2的电压，扫描范围0.8--1.2V，扫描步进1mV，通过仿真得到差模传输特性，并与②中仿真结果对照，指出二者结果的异同并给出解释。

图4-3. 差分放大器传输特性实验电路2

答：输出电流的差模传输特性：

由图知，线性区中点附近斜率为：9.9466m，故差分放大器的跨导为：9.9466mS。
计算值为：39.79mS。

思考：
a.在仿真任务①中，若V2的电压扫描范围改为0V--5V，测量电源电压V2和V3中的电流，即三极管的基极电流，与理论分析一致吗？参考硬件实验中给出的MAT02EH内部电路，给出解释。硬件实验中，由于误操作，三极管基极可能接地或者接电源，若电流过大，可能导致晶体管损坏，如何避免这种误操作导致的基极电流过大？
答：V2和V3基极电流：

V2和V3中的电流与理论分析不一致。因为基极电压过大，导致MAT02EH中的BE两点之间的二极管被击穿，基极电流从而不断变大。实验时，可以在接入差分对管之前，先测定基极的电压强度，若明显过大则调整至合适的电压时再接入差分对管。

b.比较仿真任务①和②，差模输出电流V2的变化趋势一样吗？若有差异，原因是什么？
仿真设置：Simulate--Analyses--DC Operating Point，设置扫描电压源及扫描范围和步进，需要输出的电压或者电流。差模电流通过表达式计算得到。在仿真结果中通过标尺完成测量，设置如下：Grapher view--Cursor--Show Cursor，然后拖动标尺测量。
答：
仿真①：

仿真②：

由以上两幅图可知，仿真①和②的变化趋势一样，但斜率不同。因为设置的基极电压工作点不同，导致直流工作点的电流不同，一个为1mA，一个为0.5mA，使得输出电流的大小有很大的差别。

三、硬件实验
1、按照图4-1所示电路在面包板上设计电路，并进行测试和分析。本实验采用POCKET LAB实验平台提供的直流+5V电源、信号发生器和示波器。信号发生器产生差分信号，示波器采用双通道同时显示。差分对管MAY02EH的封装形式为TO-78，可以参阅该产品的数据手册。
①测量电路各点的直流工作点，完成表4-4。
表4-4：
（V）
（V）
（V）
（V）
（V）
3.08
3.07
0.96
1.58
1.55
思考：若直流电压V1和V2不一样，可能是什么原因？如何调整电路可以使得输出直流电压V1和V2更加一致？
答：直流电压V1和V2不一样。原因可能是MAT02EH管并非完全对称的，电路搭设时两边所使用的导线排布也非完全对称的。可以在电压低的地方加一个补偿电压，或者抬高电压高的地方的电阻，降低其电压。或者在电路中接入可变电阻进行调节，与其中一只2kΩ电阻串联，直到把直流电压V1和V2调成一致。

②采用POCKET LAB信号发生器产生差分信号，通过示波器同时观测两路输出波形。设置合理的显示参数并截图，根据截图数据中的波形峰峰值计算电路的差模增益。请提交输入信号单端振幅为10mV，频率为2kHz的两路输出波形，并根据示波器显示的输出峰峰值计算差模增益。
两路输出波形为：

③将两路输入信号改为相同的信号，频率2kHz，振幅为10mV，得到两路输出信号的波形并提交截图。
两路输出波形为：

2、 差模传输特性
按照图4-4所示电路在面包板上设计电路，并测试差模传输特性。图中R7为0--10kΩ可变电阻。V1采用POCKET LAB信号发生器产生1.6V直流电压（信号幅度为0，DC OFFSET为1.6V）。

图4-4. 差模传输特性硬件实验电路图

①R4=R5=1kΩ，手动调节可变电阻R7，逐点测量节点8电压，节点4及节点7的电压差（通过该电压差计算差模电流），在1.6V附近步长可以取小一点，提高测量精度，过了限幅区步长可以增加。根据测量数据，以节点8电压为X轴，差模输出电流为Y轴，得到电路的差模传输特性，并在差模输出电流0附近测量其斜率，即放大器跨导。
R4=R5=1kΩ时：
/V
差模输出电流/A
0.5260
-0.00104
0.7500
-0.00104
0.9520
-0.00104
1.140
-0.00104
1.300
-0.00104
1.460
-0.00103
1.590
-0.000106
1.595
-0.0001059
1.600
0.00001032
1.607
0.0001263
1.610
0.000126
1.620
0.000349
1.630
0.000547
1.640
0.000712
1.650
0.000841
1.670
0.000938
1.680
0.00101
1.700
0.00106
1.720
0.00113
1.830
0.00127
1.940
0.00138
差模传输特性图：

运用origin内部工具，得到以下各点斜率：

因此，跨导=19.91mS

②R4=R5=20kΩ，重复①中的测量，并得到差模传输特性及其斜率。根据①和②的测量结果。对比分析串联电阻对差模传输特性的影响，并给出理论分析过程。
R4=R5=20kΩ时：
/V
差模输出电流/A
0.5264
-0.00100304
0.7500
-0.00100302
0.9524
-0.00100302
1.136
-0.00100302
1.304
-0.0010029
1.458
-0.000961992
1.473
-0.00093525
1.487
-0.000895159
1.501
-0.000838846
1.515
-0.000765009
1.529
-0.000674286
1.542
-0.000568854
1.556
-0.000451688
1.569
-0.000325934
1.582
-0.000194569
1.594
-6.02815E-05
1.607
7.45169E-05
1.620
0.00020763
1.632
0.000337006
1.644
0.000460685
1.657
0.000576778
1.669
0.0006835
1.681
0.000779281
1.693
0.000862947
1.705
0.000933945
1.717
0.000992525
1.777
0.00115096
1.835
0.00122032
1.891
0.00127456
1.945
0.00132528
2.047
0.00142099
2.143
0.00151023
2.228
0.0015823

差模传输特性图：

运用origin内部工具，得到以下部分斜率截图：

因此，跨导=10.78mS
分析：根据双极型管差分放大器的差模传输特性，此题中的电路可以等效为在简化差分放大电路的基础上，在基极串联了R4和R5。根据公式，，但是将简化电路改进后，等式右边的将会变为（q>1），此时等式左边形式不变，右边的斜率变小，即减小。

思考：若固定电阻R7=8kΩ，在1.4V--1.8V范围内逐渐改变节点5电压（可以采用POCKET LAB信号发生器产生连续不同的直流电压），以节点5电压为X轴，差模输出电流为Y轴，同样在R4=R5=1kΩ和R4=R5=20kΩ两种条件下得到差模传输特性的斜率，这两种斜率之间的倍数关系和实验①与②之间的倍数关系相同吗？为什么？
（1）R4=R5=1kΩ时：
V5/V
差模输出电流/A
1.400
0.0010295
1.410
0.00102873
1.420
0.00102761
1.430
0.00102596
1.440
0.00102354
1.450
0.00102
1.460
0.00101484
1.470
0.00100733
1.480
0.000996459
1.500
0.000958548
1.520
0.000883907
1.540
0.00074849
1.560
0.000531547
1.580
0.000234982
1.600
-0.00010594
1.620
-0.000435442
1.640
-0.000704767
1.660
-0.000894349
1.680
-0.00101441
1.700
-0.00108769
1.720
-0.00113426
1.740
-0.00116693
1.760
-0.00119272
1.780
-0.00121521
1.800
-0.00123611

差模传输特性图：

运用origin内部工具，得到以下各点斜率截图：

因此，跨导=-16.78mS

（2）R4=R5=20kΩ时：
V5/V
差模输出电流/A
1.400
0.000985072
1.410
0.000981814
1.420
0.000977114
1.430
0.000970391
1.440
0.000960877
1.460
0.000929474
1.470
0.000905247
1.480
0.000873776
1.490
0.000834134
1.500
0.000785768
1.520
0.000662918
1.540
0.00050909
1.560
0.000331803
1.580
0.000139379
1.590
3.99827E-05
1.600
-6.02815E-05
1.620
-0.000259771
1.640
-0.000451805
1.660
-0.000628929
1.680
-0.000783748
1.700
-0.000910215
1.720
-0.00100597
1.740
-0.001074
1.760
-0.00112127
1.780
-0.00115533
1.800
-0.00118192

差模传输特性图：

运用origin内部工具，得到以下部分斜率截图：

因此，跨导=-10mS
这两种斜率之间的倍数关系和实验①与②之间的倍数关系大致一样。在第二种中，R7的静态电路分压为1.6V，第一种和第二种形式等效，因此它们的倍数相同。