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
2、管 U3 构成。 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
3、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： 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
4、=159.0916。 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 Ri
5、d 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 =53.6175k。 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
6、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 326.8k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
7、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： 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
8、 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
9、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： 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
10、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，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。
