东南大学信息学院 模电实验六.doc

实验六 多级放大器的频率补偿和反馈

实验目的：
1、 掌握多级放大器的设计，通过仿真了解集成运算放大器内部核心电路结构；
2、 掌握多级放大器基本电参数的定义，掌握基本的仿真方法；
3、 熟悉多级放大器频率补偿的基本方法；
4、 掌握反馈对放大器的影响。

实验内容：
1、多级放大器的基本结构及直流工作点设计
基本的多级放大器如图6-1所示，主要由偏置电路，输入差分放大器和输出级构成，是构成集成运算放大器核心电路的电路结构之一。其中偏置电路由电阻R1和三极管Q4构成，差分放大器由三极管Q3、NPN差分对管U2以及PNP差分对管U1构成，输出级由三极管Q2和PNP差分对管U3构成。

图6-1. 基本的多级放大器

实验任务：
①若输入信号的直流电压为2V，通过仿真得到图6-1中节点1，节点2,和节点3的直流工作点电压；
V1（V）
V2（V）
V3（V）
14.42956
14.42958
8.38849

②若输出级的PNP管只采用差分对管U3中的一只管子，则放大器的输出直流电压为多少？
结合仿真结果给出U3中采用两只管子的原因。
V1（V）
V2（V）
V3（V）
14.41222
14.42958
7.07073
原因：将①和②对比后可以发现，V3的数值产生明显的变化。U3之所以采用两只管子，是因为这样可以增大输出电压，是工作点更稳定，提高直流工作点。

2、 多级放大器的基本电参数仿真
实验任务：
①差模增益及放大器带宽
将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相差180。，采用AC分析得到电路的低频差模增益AvdI，并提交输出电压V（3）的幅频特性和相频特性仿真结果图；在幅频特性曲线中标注出电路的-3dB带宽，即上限频率fH；在相频特性曲线中标注出0dB处的相位。
答：低频差模增益AvdI=99.4103dB；
电压V（3）的幅频特性和相频特性仿真结果图：

由仿真图：
上限频率fH=1.3248kHz；
0dB处的相位=159.0916。

②共模增益
将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相同，采用AC分析得到电路的低频共模增益AVC，结合①中的仿真结果得到电路的共模抑制比KCMR，并提交幅频特性仿真结果图。
答：低频共模增益AVC=-12.6382dB；共模抑制比KCMR=200.61648。
幅频特性仿真结果图：

③差模输入阻抗
将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相差180。，进行AC分析，采用表达式Rid=V(5)/I(V2)+V(6)/I(V3)得到差模输入阻抗Rid，请提交Rid随频率变化的曲线图，并在图上标记出100Hz处的阻抗值。
答：100Hz时的阻抗值=53.6175kΩ。
Rid随频率变化的曲线图：

④输出阻抗
按照图6-2所示，在放大器输出端加隔直流电容C1和电压源V4，将V2和V3的直流电压设置为2V，AC幅度设置为0，将V4的AC幅度设置为1，进行AC分析，采用与输入阻抗类似的计算方法，得到电路的输出阻抗R0随频率的变化曲线，并标注出100Hz处的阻抗值。

图6-2. 多级放大器输出阻抗仿真电路
答：100Hz时的输出阻抗值=32.6843kΩ。
R0随频率的变化曲线：

思考：若放大器输出电压信号激励后级放大器，根据仿真得到的结果，后级放大器的输入阻抗至少为多少才能忽略负载的影响？若后级放大器输入阻抗较低，采取什么措施可以提高放大器的驱动能力？
答：后级放大器的输入阻抗至少为326.8kΩ时，才能忽略负载的影响。
在放大器输出端负载并联一个小电阻，以减小输出阻抗。

3、 多级放大器的频率补偿
作为放大器使用时，图6-1所示电路一般都要外加负反馈。若放大器内部能够实现全补偿，外部电路可以灵活的施加负反馈，避免振荡的反生，即要求放大器单位增益处的相位不低于-135。。为此，需要对电路进行频率补偿。
实验任务：
①简单电容补偿
按照图6-1所示电路，将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相差180。，根据电路分析并结合AC仿真结果找出电路主极点位置，并采用简单电容补偿方法进行频率补偿，通过仿真得到最小补偿电容值，使得单位增益处相位不低于-135。，提交补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线，并标注出上限频率fH和增益为0dB时的相位。
答：最小补偿电容C1=3.35uF。
补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

②密勒补偿
按照图6-3所示电路，对电路进行密勒补偿，其中Q1和Q5构成补偿支路的电压跟随器。将输入信号V2和V3的直流电压设置为2V，AC输入幅度都设置为0.5V，相位相差180。，进行AC仿真分析，通过仿真得到最小补偿电容值，使得输出电压V(3)在单位增益处相位不低于-135。，提交补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线，并标注出上限频率fH和增益为0dB时的相位。若输出电压为V(9)，补偿后相位要求相同，通过AC仿真分析得到所需要的最小补偿电容。

图6-3. 多级放大器的密勒补偿
答：（1）输出电压为V(3)：
最小补偿电容值C1=113pF。
补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

（2）输出电压为V(9)：
最小补偿电容值C1=205pF。
补偿后V(9)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

4、 反馈放大器
图6-1所示多级放大器具有较高的增益，线性放大时输入动态范围很小。实际使用中，必须施加负反馈才能作为线性放大器使用。在图6-3的基础上，引入电压串联负反馈，同时改为正负电源供电，如图6-4所示（密勒补偿电容C1的值请采用实验任务3中得到的结果）。

图6-4. 电压串联负反馈放大器
实验任务：
①将输入信号V2的直流电压设置为0V，AC输入幅度都设置为1V，进行AC仿真分析，得到输出电压V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线，并在图中标注上限频率fH。
答：上限频率fH=2.1801MHz；
输出电压V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

②按照实验任务2中的分析方法，通过AC仿真得到电路的输出阻抗随频率的变化曲线，并标注100Hz处的值，并与没有施加负反馈的输出阻抗进行对照，结合理论分析解释阻抗的变化。
答：100Hz时的输出阻抗值为9.6012Ω；
输出阻抗随频率的变化曲线：

没有施加负反馈的输出阻抗值为：32.6843kΩ；
分析：负反馈会使放大器指标趋于理想化，对于电压串联负反馈，输出阻抗会减小。

③反馈电阻R2和R3的值分别改为10Ω和100Ω，R4的值改为10Ω/100Ω，重复①的仿真，得到V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线；同时按照图6-4中V2的设置条件进行瞬态仿真，得到输出电压V(3)的波形，观察波形是否失真，并给出合理的解释。
答：（1）V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

（2） 输出电压V(3)的波形：

波形失真，可能是因为输入电压过大或放大倍数太大。

思考：若图6-4所示反馈放大器电路改为单个15V电源供电，会存在什么问题？如何修改才能正常工作？
答：可能会导致U2的基极和发射极间电压不够而使得U2不能工作于放大区。
解决办法：在R2之前串联一个大电阻。