东南大学信息学院 模电实验六
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
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。
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。