实验七全差分运放的仿真方法课件
差分放大电路的分析与仿真
差分放大电路的分析与仿真摘要：差分放大电路是模拟电路学习中常用到的放大电路，其抑制零点飘移的良好电气特性，使它经常被用作多级放大电路的输入级。
本文通过对差分电路的静态及动态分析及仿真，让学生能够对差分放大电路有深入的了解。
关键词：零点漂移；差分放大；仿真分析中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）09-0246-011 引言当今世界之所以能称之为智能化的时代，是由于各种智能化的设备得到了普及，而这些智能化设备之所以能够智能化，离不开功能各异的各种传感器，而这些传感器所采集到的电信号一般都很微弱，同时这些微弱的电信号往往不是周期性的，所以对这些信号进行放大处理时，需要采用直接耦合放大电路进行放大，所谓直接耦合即输入信号引入放大电路及放大电路与其负载的连接都是靠导线直接连接，因此直接耦合连接方式有很好的低频特性同时又很容易做成集成电路。
直接耦合放大电路虽然有以上几大优势，但普通的直接耦合放大电路存在零点漂移现象，所谓“零点漂移”，就是当输入信号为零时面输入信号不为零。
差分放大电路是一种直接耦合放大电路，差分电路本身具有良好的电气对称性，使其对模性号有很强的抑制作用，所以能有效地抑制零点漂移现象的发生。
2 差分放大电路抑制温漂的原理分析零点漂移现象的产生，其原因有很多，但最为主要的原因还是晶体管受到外部温度变化所引起的静态工作点的波动，所以零点漂移也常被称为温度漂移，简称温漂。
那差分放大电路是如何做到抑制温漂的呢？图1所示电路为长尾差分放大电路，当两端的输入信号电压uI1=uI2=0时，也就是电路处于完全的直流分量控制静态状态，因为T1与T2管的电气特性完全相同，其外接电阻参数也都相同，那么就有集电极对地电位UCQ1=UCQ2的结果，所以静态时的输出电压UO=0。
如果外界温度升高了，ICQ1和ICQ2也会同时增大，而且其增大幅度完全相同，从而导致两个集电极电阻上的压降出现等值幅度的增大，进而使UCQ1和UCQ2同时等值幅度变小，所以输出UO=UCQ1CUCQ2=0保持不变。
差分放大电路仿真分析
差分放大电路仿真分析差分放大电路是集成运算放大器的主要单元电路之一，它具有很强的抑制零点漂移的能力。
作为集成运算放大器的输入级，差分放大电路几乎完全决定着集成运算放大器的差模输入特性、共模抑制特性、输入失调特性和噪声特性。
差分放大电路经由两个参数完全相同的晶体管组成，电路结构对称。
电路具有两个输入端和两个输出端，因此差分放大电路具有四种形式：单端输入单端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出以及双端输入双端输出。
实验内容：一、理想差分放大电路1、绘制电路图启动Capture CIS程序，新建工程，利用Capture CIS绘图软件，绘制如下的电路原理图。
双击正弦电压源VS+的图标，在弹出的窗口中设置AC为10mV，DC为0V，VOFF为0，V AMPL为10m，VFREQ1kHz。
VS-的设置除AC为-10mV 外，其余均与VS+同。
2、直流工作点分析选择Spice | New Simulation Profile功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入Bias，单击Create按钮，弹出Simulation Settings-Bias对话框，设置如下：保存设置，启动PSpice A/D仿真程序，调出PSpice A/D窗口，可以在PSpice A/D窗口中选择View | OutPut Filse功能菜单选项，查看输出文件。
在Capture CIS窗口中，单击I 、V按钮，此时电路图中显示电路的静态工作电压与电流值，如下图：3、双端输入是的基本特性上面的电路是双端输入的形式，可以利用上面的电路来分析双端输入时的电路特性。
将分析类型设为交流扫描分析AC Sweep。
选择PSpice | New SimulationProfile功能选项或单击按钮，打开New Simulation对话框，在Name文本框中输入AC，单击Create按钮，弹出Simulation Settings-AC对话框，设置如下：启动PSpice A/D仿真程序，显示空的PSpice A/D窗口，选择Trace | Add Trace命令，在Add Trace窗口中设置如下图，即观察单端输出时的电压增益：V(OUT1)/ (V(VS+:+)-V(Vs-:+))。
运放基本仿真步骤PPT课件
Setup VN
Setup VP
In this method, VP=VCM_IN +x, and VN=VCM_IN-x Where, VCM_IN is the common voltage, x is a design variables.
.
6
ADE of Open-Loop Differential Gain (method 1)
To obtain VCOM_OUT From Calculator-> Special Functions->Value
A VV O U T V P V C V O M N _O U TV O U T V 2C xO M _O U T
Where, VCOM_OUTVOUT|x0
To obtain DC gain From Calculator-> Special Functions->deriv
Differential Gain is 65.56dB
.
11
Common-mode Rejection Ratio
Vcm VP
VN Vcm
VOUT
VO U T AC
AC 1
Vcm 1A VAC A V CM RR
AC
AV CMRR
You can get detail illustration from “CMOS Analog Circuit Design”, Phillip E. Allen, Oxford University Press, Inc.
To create a symbol of a schematic: From Design->Create Cellview->From Cellview
差分放大电路仿真
市职业大学实验报告：学号：班级：结果如图3所示，测得A I B μ151=，mA I C 089.11=，V U CE 303.5= 。
2. 测量差模放大倍数将函数信号发生器XFG1的"+〞端接放大电路的R1输入端，"—〞端接R2输入端，端接地。
调节信号频率为1kHz ，输入电压10mV,调入双踪示波器，分别接输入输出，如图4所示，观察波形变化，示波器观察到的差分放大电路输入、输出波形如图5所示。
图2 差分放大器电路调零图5 差模输入差分放大电路输入、输出波形图3.测量共模放大倍数将函数信号发生器XFG1的"+〞端接放大电路的共同输入端，接地，构成共模输入方式，如图6所示。
在输出负载端用万用表测量输出电压值，翻开仿真开关，测得8R两端输出电压值为pV.1,几乎为0，所以共模双端输出放大倍数也就近038似为0。
图6 共模输入、双端输出电压放大倍数测量示波器观察到的差分放大电路输入、输出波形如图7所示。
图7共模输入差分放大电路输入、输出波形R1 2k¦¸R22k¦¸R36.8k¦¸R46.8k¦¸R55.1k¦¸R6 510¦¸R7 510¦¸R812k¦¸Rp1100¦¸Key=A50%V112 VV212 VQ12N3903Q22N390316710110 2XSC1A B Ext Trig++__+_5XFG13489图8 单端输出差分放大电路图9 单端输出差分放大电路波形图总结通过这次实验仿真，对Multisim仿真软件的了解，在实践过程中也不断地积累了经历，能够独立完成电路的连接，并且能够熟练使用仪表元件进展测试。
通过仿真实验可以看到，差分放大电路只放大差模信号，对共模信号有很强的抑制作用。
全差分运放和差分运放
全差分运放和差分运放全差分运放和差分运放是两种常用的运放电路，它们在信号放大和滤波等应用中起到重要的作用。
全差分运放（fully differential amplifier）是一种能够对差分信号进行放大的运放电路。
它由两个对称的差动输入端和两个对称的差动输出端组成。
差动输入端的两个信号引脚接收两个输入信号，输出端的两个信号引脚输出差分信号。
全差分运放的输入电压与输出电压之间的关系可以通过增益来描述，一般用差模增益和共模增益来定义。
差模增益表示输出信号与差分输入信号之间的关系，而共模增益表示输出信号与共模输入信号之间的关系。
全差分运放广泛应用于差分信号放大、滤波、模拟信号处理等领域。
差分运放（differential amplifier）是一种基本的运放电路，它由一个差动输入端和一个单端输出端组成。
差模输入信号作用在差动输入端，通过运放电路的放大作用，将差模输入信号转换为单端输出信号。
差分运放的特点是输入和输出都是差模信号，能够对差模信号进行放大。
差分运放在信号放大、滤波、串扰抑制等领域有重要的应用。
全差分运放和差分运放在应用中有许多相似之处，但也有一些区别。
首先，全差分运放有两对差动输入接口和差动输出接口，而差分运放只有一对差动输入接口和单端输出接口。
其次，差分运放只能放大差模信号，而全差分运放可以同时放大差模信号和共模信号。
此外，全差分运放具有更高的抗干扰能力和更低的共模幅度输出，因此在一些对共模干扰要求较高的应用中常常使用全差分运放。
综上所述，全差分运放和差分运放是常见的运放电路，它们在信号放大、滤波和抗干扰等应用中发挥着重要作用。
全差分运放具有双差动输入输出和较好的共模抑制能力，而差分运放则主要用于差模信号放大。
选择适合的运放电路需要根据具体应用需求来确定。
实验课7 全差分运放的仿真方法
CMOS模拟集成电路实验报告实验课7 全差分运放的仿真方法目标：1、了解全差分运放的各项指标2、掌握全差分运放各项指标的仿真方法,对全差分运放的各指标进行仿真，给出各指标的仿真结果。
本次实验课使用的全差分运放首先分析此电路图，全差分运算放大器是一种具有差分输入，差分输出结构的运算放大器。
其相对于单端输出的放大器具有一些优势：因为当前的工艺尺寸在减少，所以供电的电源电压越来越小，所以在供电电压很小的情况下，单端输出很难理想工作，为了电路有很大的信号摆幅，采用类似上图的全差分运算放大器，其主要由主放大器和共模反馈环路组成。
1、开环增益的仿真得到的仿真图为1.开环增益：首先开环增益计算方法是低频工作时(<200Hz) ，运放开环放大倍数；通过仿真图截点可知增益为73.3db。
2.增益带宽积：随着频率的增大，A0会开始下降，A0下降至0dB 时的频率即为GBW，所以截取其对应增益为0的点即可得到其增益带宽积为1.03GB。
3.相位裕度：其计算方法为增益为0的时候对应的VP的纵坐标，如图即为-118，则其相位裕度为-118+180=62，而为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB 时，相位的移动应小于180 度，一般取余量应大于60度，即相位的移动应小于120 度；所以得到的符合要求。
在做以上仿真的时候，关键步骤在于设定VCMFB，为了得到大的增益，并且使相位裕度符合要求，一直在不停地改变VCMFB，最初只是0.93,0.94,0.95的变化，后来发现增益还是远远不能满足要求，只有精确到小数点后4为到5位才能得到大增益。
2.CMRR 的仿真分析此题可得共模抑制比定义为差分增益和共模增益的比值，它反映了一个放大器对于共模信号和共模噪声的抑制能力。
因此需要仿真共模增益和差分增益。
可以利用两个放大器，一个连成共模放大，一个连成差模放大，用图1仿真差分增益图1用图2仿真共模增益图2将两个仿真写在一个sp文件中可以得到如下结果：相角仿真因为CMRR 的相角为=Vp(V op,Von)-Vp(V o p)黄色的为Vp(Vo p)，红色的为Vp(V op,Von)，两者相减，得到CMRR 的相角的仿真图为，其中蓝线为CMRR的相角仿真图，其它两条为上面的线，将它们放在一起对比：CMRR的幅度仿真其CMRR 的幅值为=Vdb(V op,V on)-Vdb(V op)，蓝线为Vdb(V op,V on)，粉线为Vdb(V op)，两者相减得到绿线，即为CMRR的幅值特性曲线截取其在100HZ之前的增益值可得低频时增益为49.1db。
差分放大电路 ppt课件
图06.03双电源差分放大电路
(动画6-1)
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6.3 差分放大电路的动态计算
6.3.1差模状态动态计算 6.3.2共模状态动态计算 6.3.3恒流源差分放大电路
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6.3.1 差模状态动态计算
差分放大电路的差模工作状态分为四种: 1. 双端输入、双端输出（双----双） 2. 双端输入、单端输出（双----单） 3. 单端输入、双端输出（单----双） 4. 单端输入、单端输出（单----单） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻
Avc
=
v OC1 v IC
R 'L
R b rbe (1 ) 2 R e
R 'L 2Re
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图06.08 共模微变等效电路21
(2)共模抑制比
共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重 要指标。
K CMR
Avd Avc
，或
KCM R20lgAAvvdc dB
双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端 输出时共模抑制比
IB = RsV E(1EVB )2ERe
IC = IB V C = V CC I C R c V E = 2 I C R e V EE V CE = V C V E V B = V E + V BE
由IB的计算式可知，Re对 一半差分电路而言，只有2 Re 才2能020/获12/1得2 相同的电压降。
产生零点漂移的主要原因是温度的影响，所以 有时也用温度漂移或时间漂移来表示。工作点参数
的变化往往由相应的指标来衡量。
一般将在一定时间内，或一定温度变化范围
内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，即将
实验七 差分放大电路仿真与设计
实验七差分放大电路设计与仿真一、实验目的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；二、实验内容1、差分放大电路设计及仿真；2、滑动Rw抽头分别在中点、最右端点，分别仿真求电路的动态Au、通频带参数；四、实验要求1、设计差分放大电路并仿真；2、滑动Rw抽头分别在中点、最右端点，分别仿真给出结果，Au=？3、滑动Rw抽头，获取最大Au值，仿真波形并记录；三、实验原理1、最简单的差分放大电路如图所示由两个完全对称的单管放大电路拼接而成。
在该电路中，晶体管T1、T2型号一样、特性相同，RB1为输入回路限流电阻，RB2为基极偏流电阻，RC为集电极负载电阻。
输入信号电压由两管的基极输入，输出电压从两管的集电极之间提取(也称双端输出)，由于电路的对称性，在理想情况下，它们的静态工作点必然一一对应相等。
2．抑制零点漂移在输入电压为零， ui1 = ui2 = 0 的情况下，由于电路对称，存在IC1 = IC2，所以两管的集电极电位相等，即 UC1 = UC2，故uo = UC1 - UC2 = 0。
当温度升高引起三极管集电极电流增加时，由于电路对称，存在，导致两管集电极电位的下降量必然相等，即所以输出电压仍为零，即。
由以上分析可知，在理想情况下，由于电路的对称性，输出信号电压采用从两管集电极间提取的双端输出方式，对于无论什么原因引起的零点漂移，均能有效地抑制。
抑制零点漂移是差动放大电路最突出的优点。
但必须注意，在这种最简单的差动放大电路中，每个管子的漂移仍然存在。
3．动态分析差动放大电路的信号输入有共模输入、差模输入、比较输入三种类型，输出方式有单端输出、双端输出两种。
(1)共模输入。
在电路的两个输入端输入大小相等、极性相同的信号电压，即，这种输入方式称为共模输入。
大小相等、极性相同的信号为共模信号。
很显然，由于电路的对称性，在共模输入信号的作用下，两管集电极电位的大小、方向变化相同，输出电压为零(双端输出)。
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• 定义：PSRR可用下式表示： PSRR=20log[Av/(dVout/dVcc)]
• 当双电源供电时，电路的参考点电位一般是零电 位点（GND），此时应分别给出正电源Vcc和负电 源Vss的PSRR；而对单电源供电情况，电路的参考 点电位一般是GND，此时只要给出电源电压Vcc的 PSRR即可。
net7 net16 -0.5
.option acout=0
.probe vdb(Vop,Von) vp(Vop,Von)
• V2取幅度为1V且偏置于V0上的交流电压源。对电路进 行AC分析。
• CMRR的值为: • CMRR的幅值为=Vdb(Vop,Von)-Vdb(Vop) • CMRR的相角为=Vp(Vop,Von)-Vp(Vop)
• 1、了解和掌握全差分运放的各项指标的仿 真方法。
• 2、对全差分运放的各指标进行仿真，给出 各指标的仿真结果。
• Vdd = 3.3V
• 提示：进行仿真之前，对该基本运放进行直流扫描，确 定工作点。
• 通过开环增益的仿真，我们将获得以下运放参数。
• 开环增益：
– 低频工作时(<200Hz)，运放开环放大倍数；
• 注意：实际的运放指标仿真，要带上实际应用中 所要连接的的等效负载。
• 有兴趣的同学可以推导一下CMRR和PSRR仿真电路 的测量原理。
• 正电路对电路的PSRR进行仿真。
• 电源对输出的增益： • V0为Vcc=3.3V，V2为幅度为1，相位为0的AC源。进行AC
分析
• PSRR的幅值：Vdb(Vop,Von)-Vdb(Vop) • PSRR的相角：Vp(Vop,Von)-Vp(Vop)
• 增益带宽积GBW ：
– 随着频率的上升，A0会开始下降，A0下降至0dB时的频 率即为GBW；
• 相位裕度：
– 为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB时，相位 的移动应小于180度，一般取余量应大于60度，即相位 的移动应小于120度；
• V1为幅度为1，相位为0的交流信号。E0与E1为两个压控 电压源（VCVS），其增益分别为0.5与-0.5。e1 net9 net5 VCVS
• 定义：输出阻抗是指运放闭环应用时的输出阻抗，如果 把闭环系统作为一个电压源来看，则输出阻抗即为该电 压源的源电阻。
对I2进行AC分析。Voutp的幅相频特性，即为输出阻抗的 幅相频特性。
• 转换速率：表示大信号工作时运放性能的一个重要参数， 是运放输出电压对时间的变化率。
• 图中，运放构成单位增益的反相放大器，输入端的V3为 PWL，用于施加差分输入电压。