东南大学模电实验六多级放大器的频率补偿和反馈

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 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。

图 1. 基本的多级放大器

实验任务：

* *

1 ○若输入信号的直流电压为 2V，通过仿真得到图 1 中节点 1，节点 2 和节点 3 的直流工作 点电压；

V1（V） 14.42956 V2（V） 14.42958 V3（V） 8.38849

2 ○若输出级的 NPN 管 Q2 采两只管子并联，则放大器的输出直流电压为多少？结合仿真结 果给出输出级直流工作点电流的设置方法。

* *

V1（V） 14.43772 V2（V） 14.43775 V3（V） 51.16179m 解：将①和②对比可以发现，V3的数值产生明显的变化。Q2之所以采用单只管子，是因为这样可以增大输出直流电压，使得工作点更稳定，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：

1 ○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。 解：

低频差模增益AvdI=99.4077dB

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=40.7572Hz 0dB处的相位=-173.4347

2 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，

1 中的仿真结果得到电路的共模抑制比 采用 AC 分析得到电路的低频共模增益 Avc，结合○

KCMR，并提交幅频特性仿真结果图。 解：

低频共模增益Avc =-6.6202dB；共模抑制比KCMR =100084.0807。 幅频特性仿真结果图：

* *

3 ○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 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。 解：100Hz时的阻抗值=53.6585kΩ。

Rid随频率变化的曲线图：

* *

4 输出阻抗 ○

按照图 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 Ro 随频率的变化曲线，并标注出 100Hz 处的阻 抗值。

图 2. 多级放大器输出阻抗仿真电路

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较低，采取什么措施可以提高放大器的驱动能力？

解：

100Hz时的输出阻抗值=32.6843kΩ。 R0随频率的变化曲线：

* *

思考：后级放大器的输入阻抗至少为该放大器输出阻抗的十倍时才可忽略负载，Ri≥326.943kΩ； 提高放大器的驱动能力可以减小该放大器的输出阻抗，可以在输出端并联一个小电阻。

3. 多级放大器的频率补偿

作为放大器使用时，图 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：

1 简单电容补偿 ○

按照图 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。

解：

单位增益即增益=1=0dB

仿真得,最小补偿电容C1=3.5uF。

产生第一个极点角频率的节点一般是电路中阻抗最高的节点，本图中为输出端。 故,补偿电容接在输出电压与地之间。

* *

补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

上限频率为1.9772Hz 0dB相位为-133.9004°

2 密勒补偿 ○

* *

按照图 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 3. 多级放大器的密勒补偿

解：

(1)仿真得,最小补偿电容C1=114pF。

补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

* *

上限频率为227.7293Hz 0dB相位为-134.5171°

(2)仿真得,最小补偿电容C1=207pF。

补偿后V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

* *

上限频率为135.7625Hz 0dB相位为-134.5228°

4. 反馈放大器

图 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 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 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 4. 电压串联负反馈放大器

* *

实验任务：

1 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。

解：

V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

上限频率为2.1740MHz

* *

2 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。 解：

使用外接源方法测量输出阻抗:

100Hz时的输出阻抗值=404.6480mΩ。

没有施加负反馈的输出阻抗：

100Hz时的输出阻抗值=32.6843kΩ。

* *

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。

3 反馈电阻 1 的仿真， 得○R2 和 R3 的值分别改为 10Ω 和 100Ω，R4 的值改为 10Ω//100Ω，重复○

到 V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线；同时按照图 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。 解：

* *

V(3)的幅频特性曲线和相频特性曲线：

输出电压 V(3)的波形:

观察波形明显失真，可能是因为输入电压过大或放大倍数太大。

思考：若图 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,使得U2不能工作于放大区。 修改：在R2之前串联一个大电阻，抬高U2基极电压