湖南大学微电子实验报告7
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实验七差分放大电路仿真
一、实验目的
1、熟练Hspice语法;
2、熟练模拟电路的仿真验证方法;
二、实验内容及要求
1、设计差分放大电路,其中T1和T2是对管;
2、分析差分放大电路中的元件参数对其静态工作点、放大电路主要性能指标的影响;
三、实验原理
差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用,有效地稳定静态工作点,以放大差模信号抑制共模信号为显著特征,广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。
但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐,特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法,难以理解,因而一直是模拟电子技术中的难点。
差分放大电路:按输入输出方式分:有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出四种类型。
按共模负反馈的形式分:有典型电路和射极带恒流源的电路两种。
差放的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态。
当外信号加到两输入端子之间,使两个输入信号Vi1、Vi2的大小相等、极性相反时,称为差模输入状态。
此时,外输入信号称为差模输入信号,以Vid表示,且有:当外信号加到两输入端子与地之间,使Vi1、Vi2大小相等、极性相同时,称为共模输入状态,此时的外输入信号称为共模输入信号,以Vic表示,且:
当输入信号使Vi1、Vi2的大小不对称时,输入信号可以看成是由差模信号Vid和共模信号Vic 两部分组成,其中动态时分差模输入和共模输入两种状态。
(1)对差模输入信号的放大作用
当差模信号Vid输入(共模信号Vic=0)时,差放两输入端信号大小相等、极性相反,即Vi1=-Vi2=Vid/2,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反,导致两输出端对地的电压增量,即差模输出电压V od1、V od2大小相等、极性相反,此时双端输出电压V o=V od1-Vod2=2Vod1=V od,可见,差放能有效地放大差模输入信号。
要注意的是:差放公共射极的动态电阻Rem对差模信号不起(负反馈)作用。
(2)对共模输入信号的抑制作用
当共模信号Vic输入(差模信号Vid=0)时,差放两输入端信号大小相等、极性相同,即Vi1=vI2=Vic,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同,导致两输出端对地的电压增量,即差模输出电压V oc1、V oc2大小相等、极性相同,此时双端输出电压V o=V oc1-Voc2=0,可见,差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。
此外,在电路对称的条件下,差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。
四、实验方法与步骤
实验方法:
计算机平台:windos7操作系统
软件仿真平台:hspice仿真软件平台
实验步骤:
1、编写源代码。
2、打开hspice软件平台,点击open添加各个.sp文件
3、编译与调试,进行编译。
4、软件仿真运行及验证。
在编译成功后,进行仿真运行。
确定无误之后打开Avanwaves来查看特性曲线图,按照程序所述对比仿真结果。
五、实验仿真结果及其分析
.TEMP 25.0000
.lib 'gd018.l' TT
.model QNPN NPN
.global GND
.param Ra=50 $定义电阻值
.param Rb=50
/***************************************************/
/*********** 差分电路描述*********************/
/***************************************************/
Vcc 1 GND DC 12V $顶部直流电压
Vin1 4 0 ac (sin 0 10mv 1k)
Vin2 9 0 ac (sin 0 -10mv 1k) $输入电压(动态信号)
Q1 2 4 5 QNPN
R1 1 2 10k
R2 1 3 10k
Q2 3 0 7 QNPN
R3 5 6 Ra
R4 6 7 Rb
R5 6 8 5.1k
VEE 8 GND DC -6V
/****** 瞬态分析*******/
.option list node post
.op
.tran 0.01ms 5ms 0
.print v(3,2)
.alter
.param Ra=0 Rb = 100
.alter
.param Ra=100 Rb = 0
.end
/************************************************/
通频带测量:
.TEMP 25.0000
.lib 'gd018.l' BIP_TT
.global GND
.param Ra=50 $定义电阻值
.param Rb=50
/***************************************************/
/*********** 差分电路描述*********************/
/***************************************************/
Vcc 1 GND DC 12V $顶部直流电压
Vin1 4 0 AC (sin 0 10mv 1k)
Vin2 9 0 AC (sin 0 -10mv 1k) $输入电压(动态信号)
Q1 2 4 5 NPN2
R1 1 2 10k
R2 1 3 10k
Q2 3 0 7 NPN2
R3 5 6 Ra
R4 6 7 Rb
R5 6 8 5.1k
VEE 8 GND DC -6V
/****** 瞬态分析*******/
.option list node post
.op
.AC DEC 100 10MGE 2000MEG
.print AC v(3,2)
.end
/**************************************************************/ 仿真波形如下:
Rw处于中间:
Rw处于左边:
Rw处于右边:
通频带测量:
六、实验结论
1、分析差分放大电路中的元件参数对其静态工作点、放大电路主要性能指标的影响;
考虑该电路的微变等效电路,主要影响放大倍数的是RC和RW,其中AV与RC正相关,与Rw负相关
2、根据放大波形可以求出此电路放大倍数约为100倍。
当Rw档处不平衡状态时由于发射机电阻的不平衡会引起两个对管静态工作点的不一致。
这就进一步造成了放大后波形的漂移。
3、关于通频带;运用交流电路瞬态分析法进行动态扫描可以得到图四,因为只能扫出半边,所以可求得其上限频率为1000M,考虑其下限频率很低,故忽略不计,故通频带为1000MHz 七、实验心得
这次实验主要内容为差分放大电路,现在根据电路图设计Hspice语言已经较为得心应手,所以这次实验的问题不太大,主要遇到的困难是有关通频带的测量,一开始怎么测都是直线,后来修改了频率变化范围和相关参数才有了进展。