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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。