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实验四-差分放大器

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实验四-差分放大器 1 / 17 实验四 差分放大器 实验目的: 1. 掌握差分放大器偏置电路的分析和设计方法; 2. 掌握差分放大器差模增益和共模增益特性,熟悉共模抑制概念; 3. 掌握差分放大器差模传输特性。 实验内容: 一． 实验预习 根据图4-1所示电路,计算该电路的性能参数.已知晶体管的导通电压，，试求该电路中晶体管的静态电流,节点1和2的直流电压Ｖ1，V2,晶体管跨导,差模输入电阻,差模输入电压增益，共模电压增益，和共模抑制比,请写出详细的计算过程,并完成表４-1.

图4-1 差分放大器实验电路 表４—1 （mA） V1(V） Ｖ2（V) (mS） （k欧） 1.005９8 2.９8804 2.９8８04 38。6９1 11.275 -7６。３５7８ —1。9736 1９．3448

解:其直流通路和交流通路如下图所示 实验四-差分放大器 2 / 17 所以 V1=v2＝５-2*１。0０598=2．9８804V

(1０//)=11.27５k

二． 仿真实验 1. 在MUＬTISIM中设计差分放大器,电路结构和参数如图４-1所示,进行直流工作点分析，得到电路的工作点电流和电压，完成表4－2，并与计算结果对照。

表4—2： (mＡ） V1(V) V２(V） Ｖ3(Ｖ) V5(V） V6(Ｖ) 2.20388 2。9９７50 ２．99７50 １．00341 1。５７651 1。５5492

2. 在图４—1所示电路中，固定输入信号频率为２ｋHz,输入不同信号幅度时，测量电路的差模增益。采用示波器观察输出波形，测量输出电压的峰峰值,通过“差模输出电压峰峰值／差模输入电压峰峰值”计算差模增益,用频谱仪器观测节点１的基波功率和谐波功率,并完成表4—３。 实验四-差分放大器 3 / 17 截得的波形以及频谱图如下: 输入单端幅度为1mV

输入单端幅度为１0mV 实验四-差分放大器

4 / 17 输入单端幅度为2０ｍV 表4-3： 输入信号单端幅度（mＶ） １ 10 20

—７4.8２ —71.9７8 －6４。４5 基波频率P1(dＢｍ） -24．677 —5。２60 -０。0３９ 基波频率P2(ｄBｍ) -97.072 -４６.231 －３0。1３9 基波频率P3（dBm) —103。７64 -8１。62５ —53。434 在示波器中观察差模输出电压可以采用数学运算方式显示。 实验四-差分放大器 5 / 17 思考:表4—3中的在不同输入信号幅度的时候一样吗？若不一样，请解释原因。 答：在不同输入信号幅度的时候不一样,输入的幅度越大，||越小。 因为输出电压主要由电路的直流工作点确定,当交流信号较小时,可以忽略。但是当交流信号变大便不可忽略，这是，增益的计算值和测量值相差较大。

当输入交流信号较小时,差模传输特性才是线性的，即和计算结果相差不大。 3. 在图4—1所示电路中,将输入信号V２的信号幅度设置为１0Mv，频率为２KHｚ，输入信号V3的信号幅度设置为0，仿真并测量输出信号幅度。若输出信号V1和V２的幅度不一致，请解释原因,并写出详细的计算和分析过程.

输出波形如图所示

计算: 所以 仿真的结果为: ：37０.7５5mV 实验四-差分放大器 6 / 17 :351。６55 mV 因为输入的交流信号既含差模信号也含共模信号,所以在计算单端增益时既需考虑差模增益也需考虑共模增益。同时，共模增益比较小，所以两边的增益会有微小的差别.

4. 在图４—1所示电路中,将输入信号V1和V2设置成共模输入信号——信号频率2ｋHｚ，信号幅度10mＶ，相位都为0，仿真并测量输出信号的幅度，计算电路的共模增益，并与计算结果对照。

输出波形如图所示

所以=—38。2２/20=-1.91１ 测出的结果与计算结果相差不大,但仿真结果绝对值较小，可能是输入信号较大。 若需要在保证差模增益不变的前提下提高电路的共模抑制能力,即降低共模增益,可以采取什么措施？请给出电路图，并通过仿真得到电路的共模增益和差模增益。

答:若要减小共模增益可以将电阻R1换为直流电流源 电路图如下所示: 实验四-差分放大器

7 / 17 共模信号输出波形如下图所示： 差模信号输出波形如下： 实验四-差分放大器

8 / 17 所以＝－8。64/20000＝- =1４00/２０＝70

所以=(7０/2）／( ）=８1018.５ 大大提高了。 ﻫﻫ5。采用图4-４所示电路对输入直流电压源Ｖ2进行ＤC扫描仿真,得到电路的差模传输特性。

图４－４ 差分放大器传输特性试验电路1 （1） 电压扫描范围1。3５~1．75V,扫描步进１mV，得到电阻R2、Ｒ３中电流差随V2电压的变化曲线,即输出电流的差模传输特性，并在差模输出电流的线性区中点实验四-差分放大器 9 / 17 附近测量其斜率,得到差分放大器的跨导，并与计算结果对照(，)；

（2） 若将V3电压改为1Ｖ，再扫描V2电压,扫描范围0。8~１.2Ｖ，扫描步进1mV,仿真得到差模传输特性,并得到跨导,与计算结果相比较。

（3） 若将图4—4中电阻R１改为理想直流电流源,如图４-5所示。固定Ｖ3为1V,将仿真结果与上面结果作比较，指出异同点并给出解释。

图4-5 差分放大器传输特性实验电路2 (１)扫描图线如下

图示曲线斜率得,gm＝9.7037m 计算得到的ｇm=0．0３85

（2） 扫描图线如下 实验四-差分放大器 10 / 17 图示曲线斜率得,gｍ=4.52３6m 计算得到的gm=0。0１73

（3)扫描图线如下

图示曲线斜率得,ｇm＝１0.0１6１m 计算得到的gm＝0.038５

思考： a. 在仿真任务（1)中,若V2的扫描电压改为0~5V，测量电源电压Ｖ２和Ｖ３中的电流,即三极管基极电流,与理论分析一致吗?参考硬件实验中给出的MAT02EH内部的电路,给出解释。硬件实验中,由于误操作，三极管基极可能接地或者接电源,若电流过大,可能导致晶体管损坏，如何避免这种误操作导致的基极电流过大? 实验四-差分放大器 11 / 17 答:与理论分析不一致。当V2较大时，会将B、E间的二极管反向击穿，然后电流就会突然不断变大。在进行硬件实验时,可以先测量基极的电压,保证电压正常时再接入晶体管。

具体的扫描曲线如下图所示：

b. 仿真任务(１)和（２)，差模输出电流随V2的变化趋势一致吗？若有差异,原因是什么?

答：两仿真曲线的变化趋势相同,但其斜率即gm不同.因为两仿真实验设置的基极工作电压不同，所以其工作电流不同，斜率也不同。

三． 硬件实验 1. 按照图４—1所示电路在面包板上设计电路，并进行测试和分析 （1） 测量电路各点的直流工作点,完成表4-4. 表4-４： V1(Ｖ） V2（Ｖ） V3(V） V5(V） V6(V) 3。０3 3.04 0。99 1.６0 1。57 思考:若直流电压Ｖ1和V2不一样,可能是什么原因？如何调整电路可以使得输出直流电压V1和V２更加一致?

答:直流电压V1和Ｖ２可能会有微小的差别，因为MＡT02EH管的两边不可能是完全对称的,所以输出的信号也会有差别.可以增加输出电压低的那一端的基极电压,也可以增加输出电压高的那一端的电阻。

（2） 输入差分信号,通过示波器同时观察两路输出波形。设置合理地显示参数并截图，根据截图数据中的波形峰峰值计算电路的差模增益。请提交输入信号单端振幅为10mV,频率为2KHZ的两路输出波形，并根据示波器显示的输出峰峰值计算差模增益. 实验四-差分放大器 12 / 17 截取的波形图如下所示：

所以＝16９0/20=84。５。 （3） 将两路输入信号改为相同的信号,频率2KHＺ,振幅为10ｍV,得到两路输出信号的波形并截图。

仿真所得波形如下：

硬件波形有误. 实验四-差分放大器

13 / 17 2. 差模传输特性 按照图4—9所示电路在面包板上设计电路，并测试差模传输特性.图中R７为０～10k欧可变电阻。

图４—9 差模传输特性硬件实验电路图 （1） R４=R５=1Ｋ欧，手动调节可变电阻Ｒ７,逐点测量节点8的电压，节点４及节点７的电压差，在1。6Ｖ附近步长可取小一点。根据测量数据,以节点８电压为x轴，差模输出电压为y轴,得到电路的差模传输特性,并在差模输出电流0附近测量其斜率。即放大器跨导。

测得数据如下: R7 5k 6ｋ 7k 7。4７k 8k 8.４7k ９ｋ １0k

V8/v 1。1４ 1.31 1。４６ １.52 １。59 1.6５ １.７2 1。８3

V4/v ０。55 ０。69 0.81 0。85 0.８8 0。87 0.８8 0.89

V７/v 3。84 3。0９ 2．４6 2.21 2．０2 1.88 1.７４ 1。53 V4— Ｖ７ -3.29 —2。４0 -1．６5 —1。36 -1。１4 —１.０１ —0.86 －0。64

I/ｍＡ －1。64５ -1.２ -0。8２5 -0。68 —0.57 -0.505 -0。4３ -0.32

作得图线如下:

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仿真实验--差分电路仿真实验

仿真实验--差分电路仿真实验

仿真实验三差分电路仿真实验一、实验目的（1）通过Multisim来仿真电路，测试差分放大电路的静态工作点、差模电压放大倍数、输入电阻和输出电阻；（2）加深对差分放大电路原理的理解；（3）通过仿真，体会差分放大电路对温漂的抑制作用；二、实验平台Multisim 10.0三、实验原理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V i1、V i2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V id表示，且有:当外信号加到两输入端子与地之间，使V i1、V i2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V ic表示，且:当输入信号使V i1、V i2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V ic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V id输入(共模信号V ic=0)时，差放两输入端信号大小相等、极性相反，即V i1=－V i2=V id/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－V od2=2V od1=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R e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V ic输入(差模信号V id=0)时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即V i1=V i2=V ic,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－V oc2=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。

模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器分解

模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器分解

模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器分解差分放大器是CMOS集成电路设计中非常重要的一部分，它在电信号放大、差分信号处理和模拟信号传输等领域具有广泛的应用。

本文将对CMOS集成电路设计中的差分放大器进行分解，以帮助读者更好地理解和应用这一核心电路模块。

差分放大器是一种由两个输入端和一个输出端组成的放大器，它的特点是能够放大两个输入信号的差值，并抑制共模信号（即两个输入信号的平均值）。

差分放大器常用的两种结构是共源共栅结构和共源共栅共源共栅结构。

下面将详细介绍这两种结构的分解方法。

1.共源共栅结构的分解共源共栅结构的特点是输入信号通过共源极放入电路，输出信号通过共栅极输出。

它的优点是输入电阻高、增益稳定，适用于高频和宽频带应用。

首先，我们来看一下共源共栅结构的电路原理图。

它由一个共源极M1、一个共栅极M2和一个负载电阻RL组成。

其中，M1的栅、漏极与输入信号相连，M2的源极与M1的源极相连，并通过电流源IB偏置。

负载电阻RL连接在M2的漏极和M1的源极之间。

接下来，我们对这个电路进行分解。

首先，将M1和M2的直流工作点确定。

假设输入信号为微弱的交流信号，可以将M1和M2视为理想可变电阻，其中M1的栅极和漏极之间的电压为vgs1，M2的栅极和源极之间的电压为vgs2、根据共源共栅和平衡电流假设，可以得到：id1 = id2 = id/2gm1vgs1 = gm2vgs2其中，id为分配给两个MOS管的总漏源电流，gm1和gm2分别为M1和M2的跨导。

然后，通过公式计算共源共栅结构的增益，可以得到：Av = -gm2RL最后，在进行差分模式和共模模式的分析。

差分模式下，输入信号为vcm-vd，其中vcm是共模信号，vd是差模信号。

共模模式下，输入信号为(vcm1+vcm2)/2、根据共模模式下输出电流为零的条件，可以得到共模抑制比CMRR与差分增益Av的关系为CMRR = Av/2gm.2.共源共栅共源共栅结构的分解共源共栅共源共栅结构是一种衍生自共源共栅结构的放大器，它包含两对共源共栅结构，具有更高的增益和更稳定的工作特性。

差分放大器-模拟集成电路课程设计

差分放大器-模拟集成电路课程设计

一、设计要求低频增益: > 80 dB；单位增益带宽: > 50 MHz；负载电容: =5pF（可调整）；相位裕量: >60°；增益裕量: >12dB。

二、电路结构的选择1.共源共栅结构：运算放大器的的结构主要有三种:(1)简单两级运放；(2)折叠共源共栅；(3)共源共栅。

共源共栅放大器的特点：(1)结合了CS、CG放大器的优点，Av较大且频带宽；(2)输出电压摆幅因层叠的MOS管而有所损失，在低电源电压运用中是致命的；（3）在低电源电压电路中共源共栅结构因为要消耗过多的电压余度运用较少，此时需要多级CS放大器才能达到需要的增益，这会给放大器的补偿带来更大困难。

折叠式共源共栅放大器的特点：(1)与套筒式结构相比，输出电压摆幅较大些；(2)折叠式共源共栅放大器的功耗较大、电压增益较低、极点频率较低、噪声较高；(3)可使输入共模电平接近电源供给的一端电压。

2.反相放大器：COMS反相器通常由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。

通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。

COMS反相器具有如下特点：(1)静态功耗极低。

在稳定时，COMS反相器工作时，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。

(2)抗干扰能力强。

由于其阈值电压近似为0.5VDD，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。

(3)电源利用率高。

VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围。

(4)输入阻抗高，带负载能力强。

本设计采用共源共栅结构和反相放大器级联的方式来达到设计要求。

首先采用共源共栅结构作为差分当大器的第一级，承担主要的放大能力以及尽可能宽的单位增益带宽。

反相器作为第二级主要作为阻抗匹配，提高输出的带载能力，同时具有放大功能。

同时在第二级输入和输出之间加入串联RC负反馈网络，作为频率补偿，提高系统的稳定性，防止放大器自激。

3.1模拟集成电路设计-差分放大器电路设计

3.1模拟集成电路设计-差分放大器电路设计

集成电路设计实习Integrated Circuits Design LabsI t t d Ci it D i L b单元实验三（第一次课）模拟电路单元实验－差分放大器电路设计2007-2008 Institute of Microelectronics Peking University实验内容、实验目的、时间安排z实验内容：z设计差分放大器z对电路进行直流、交流、瞬态分析z目的：z掌握模拟集成电路单元模块的设计分析方法z时间安排：z一次课完成差分放大器的电路设计Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page1实验要求z设计图示差分放大器z尺寸需调整z放大器性能指标要求z负载电容C=2pFLz VDD=5Vz放大管的Vdsat=200±30mVz对管的m取4的倍数z低频开环增益>100z GBW>25MHzz PM>60z共模输入范围>3Vz功耗、面积尽量小Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page2实验结果记录z请记录如下数据z各晶体管尺寸（m、W、L）z各晶体管的Vdsatz低频开环增益、GBW、PMz直流功耗、瞬态功耗平均值及对应跳变频率z转换速率（上升、下降分别记录）z单位缓冲接法，输入1V跳变时，输出端的信号建立时间（20μV）z上升、下降分别记录z实验方法，参见P5～P32Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page3创建放大器的电路（按下列尺寸设置）z M0、M1的尺寸z M=4, W/L=2/2z M2的尺寸z M2, W/L2/2M=2W/L=2/2z M5的尺寸M1W/L2/2z M=1, W/L=2/2z M3、M4的尺寸z M=4, W/L=2/2z vp：正输入端z vn：负输入端Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page4创建放大器的SymbolInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page5创建Power的电路图z如图创建Power的电路z创建Power的Symbol Viewz仅供仿真时调用！！！Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page6创建放大器的仿真电路（DC/AC仿真）z正输入端vp，加激励信号，DC＝2.5，AC magnitude＝1V负输入端，大电阻（）、大电容（）反馈z vn1G1FInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page7放大器的仿真电路：z I3：提供电流源z C2：放大器的负载z R0：1Gz C0：1Fz I0：调用PowerInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page8常用Analyses设置z Tran：瞬态z DC：直流z AC：交流设置完毕后运行Simulation，然后可以查看Simulation Results Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page9直流/交流分析设置z直流分析：直流工作点z交流分析：起止频率设置Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page10z Results->Print->DC Operating Points->鼠标点击元件->弹出对话框Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page11βr的倒数该元件的功耗Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page12z Results->Direct Plot->AC Gains & Phase->进入Schematic ViewInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page13z View的左下角显示：Select first point然后鼠标左键点击（p为输出结点）z vout First pointInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page14z first point选定后，View的左下角显示：Select second point然后鼠标左键点击p（p为输入结点）z vp Second pointInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page15z弹出图示窗口：两条曲线表示幅频特性与相频特性Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page16z低频增益测量：在较低频率处测量幅频特性曲线的纵坐标值如图测得的低频增益为z41.1898dBInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page17z增益带宽积测量：幅频特性曲线幅度为0dB时对应的频率注意：标尺很难完全定位到0dB，所以允许误差在正负50m dB以内z注意：标尺很难完全定位到0dB，所以允许误差在正负50m dB以内z测得增益带宽积为6.31193MHz增益带宽积Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page18z相位裕度测量：使用B标尺在增益带宽积频率处，测相移z PM (Phase Margin)=180+Phase88o(g)，图中相位裕度约Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page19Results: Circuit Conditionsz查看电路元件的工作状态：Results->Circuit Conditionsz放大管、负载管、电流镜等均应工作于饱和区z开关管工作于线性区z线性区：红色显示1、选项设置2、图中显示Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page20单位增益接法的放大器电路：输入为阶跃脉冲信号Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page21瞬态仿真设置z Analysis->Choose ，弹出窗口选择精度设置Conservative ：精度高Moderate ：中等精度Liberal Institute of Microelectronics, Peking University 集成电路设计实习－单元实验三Page 22：仿真速度快z第一步：将标尺A放置于平台区靠右的区域第二步：将标尺从点往左移动，直到||μz B A|Delta Y|≈20Vz第三步：将标尺A移动到跳变起始点，测Delta X，即为建立时间Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page23z Delta X，即为建立时间测得的建立时间为z414.419nsInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page24转换速率测试z A点：跳变点右侧；B点：远离斜率变化区域测得转换速率为z10.3043MV/secInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page25功率测试（保存Power信号的设置）z Outputs->Save All…->弹出Save Options窗口->如下设置Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page26z Tools->Results Browser->弹出窗口中点击OK在中z Results Browserz Schematic->psf->Run1->tran-tran->I8->pwr->双击鼠标I8单元的功耗Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page27z双击鼠标后弹出Calculator窗口选择p g，然后点击z Special Functions->Average Printz平均功耗为：111.944μWInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page28功率测试（直流功耗）z在Results Browser中z Schematic->psf->Run1->dcOp-dc->I8->pwrInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page29z Analyses->Choose->dc->Component Parameterz Select Component Schematic 点击p ，然后在中选择扫描源z Component NameParameter Namez Parameter Name 扫描源的起止Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page 30扫描源的起z输出电压随直流量的变化Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page31。