最新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。

实验任务：

图 1. 基本的多级放大器

○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）V2（V）V3（V）

14.42956 14.42958 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）V2（V）V3（V）

14.43772 14.43775 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A v dI，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f H；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=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，采用AC 分析得到电路的低频共模增益A v c，结合○1中的仿真结果得到电路的共模抑制比K CMR，并提交幅频特性仿真结果图。

解：

低频共模增益A v c =-6.6202dB；共模抑制比K CMR =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R id=V(5)/I(V2)+V(6)/I(V3)得到差模输入阻抗R id，请提交R id 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R o 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≥326.943k Ω；

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f H 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f H 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：