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1、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。
2、图 6-1. 基本的多级放大器实验任务：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：将和对比后可以发现，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
3、器的基本电参数仿真实验任务：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。共模增益将输入信号 V2 和 V3 的直流电压设置为 2V，
4、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：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=
5、53.6175k。Rid 随频率变化的曲线图：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=32.6843k。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
6、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 326.8k 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：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
7、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：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
8、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
9、 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：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：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，
10、结合理论分析解释阻抗的变化。答：100Hz 时的输出阻抗值为 9.6012；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：32.6843k；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。反馈电阻 R2 和 R3 的值分别改为 10 和 100，R4 的值改为 10/100，重复的仿真，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。
