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          ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器

          —— 學子專區(qū)—
          作者:ADI 公司,Doug Mercer,Antoniu Miclaus 時間:2020-08-14 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202008/417057.htm

          目標

          本活動的目的是研究BJT的共發(fā)射極配置。

          305615-fig-01.jpg

          圖1.共發(fā)射極放大器測試配置。

          背景知識:

          共發(fā)射極放大器是三種基本單級放大器拓撲之一。BJT共發(fā)射極放大器一般用作反相電壓放大器。晶體管的基極端為輸入,集電極端為輸出,而發(fā)射極為輸入和輸出共用(可連接至參考地端或電源軌),所謂“共射”即由此而來。

          305615-fig-02.jpg

          圖2.共發(fā)射極放大器測試配置面包板連接。

          材料:

          ■   ADALM2000主動學習模塊

          ■   無焊面包板

          ■   五個電阻

          ■   一個50 kΩ可變電阻、電位計

          ■   一個小信號晶體管(2N3904)

          305615-fig-03.jpg

          圖3.共發(fā)射極放大器測試配置,VIN和VCE。

          指導(dǎo)

          圖1所示配置展現(xiàn)了用作共發(fā)射極放大器的晶體管。選擇適當?shù)妮敵鲐撦d電阻RL,用于產(chǎn)生合適的標稱集電極電流,VCE電壓約為VP(5 V)的一半。通過可調(diào)電阻RPOT與RB來設(shè)置晶體管(IB)的標稱偏置工作點,進而設(shè)置所需的。選擇適當?shù)姆謮浩鱎1/R2,以便通過波形發(fā)生器W1提供足夠大的輸入激勵衰減??紤]到在晶體管的基極上會出現(xiàn)非常小的信號,這樣做更容易查看發(fā)生器W1信號。衰減波形發(fā)生器W1信號通過4.7 uF電容交流耦合到晶體管基極,以免干擾直流偏置條件。

          305615-fig-04.jpg

          圖4.共發(fā)射極放大器測試配置,VIN和VBE。

          硬件設(shè)置

          波形發(fā)生器輸出W1配置為1 kHz正弦波,峰峰值幅度為3 V,偏移為0 V。并將其連接在示波器通道1+上,以顯示發(fā)生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量Q1基極和集電極的波形。

          305615-fig-05.jpg

          圖5.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置。

          程序步驟

          打開連接到BJT晶體管集電極(VP = 5 V)的電源。

          配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。

          圖3和圖4是使用LTspice? 得到的仿真電路波形圖示例。

          共發(fā)射極放大器的電壓增益A可以表示為負載電阻RL與小信號發(fā)射極電阻re的比值。晶體管的跨導(dǎo)gm是集電極電流和所謂的熱電壓kT/q的函數(shù),在室溫下其近似值約為25 mV或26 mV。

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          小信號發(fā)射極電阻為1/gm且可視為與發(fā)射極串聯(lián)?,F(xiàn)在,在基極上施加電壓信號,相同的電流(忽略基極電流)會流入re和集電極負載RL。因此,由RL與re的比值可得到增益A。

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          圖5所示為另一種共發(fā)射極放大器測試電路方案。除了兩個小優(yōu)勢之外,所有屬性基本相同。其中一個優(yōu)勢是基極電流偏置不再取決于指數(shù)基極電壓()。第二個優(yōu)勢是AWG1衰減后輸出的交流小信號與基極偏置電路無關(guān),并且無需交流耦合。當把交流小信號接在運算放大器的同相端子時,由于負反饋的作用,它也會出現(xiàn)在晶體管的基極端(反相運算放大器輸入)。

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          圖6.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置面包板連接。

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          圖7.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置,VIN和。

          提供負反饋的自偏置配置

          目標

          本節(jié)旨在研究添加負反饋對穩(wěn)定直流工作點的效果。晶體管電路最常用的一種偏置電路是發(fā)射極自偏置電路,它使用一個或多個偏置電阻來設(shè)置晶體管IB、IC和IE三個初始直流電流。

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          圖8.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置VBE縮放。

          硬件設(shè)置

          波形發(fā)生器輸出W1配置為1 kHz正弦波,峰峰值幅度為3 V,偏移為0 V。并將其連接在示波器通道1+上,以顯示發(fā)生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量Q1基極和集電極的波形。

          305615-fig-10.jpg

          圖9.自偏置配置。

          程序步驟

          打開連接到BJT晶體管集電極(VP = 5 V)的電源。

          配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。

          圖11和圖12是使用LTspice? 得到的仿真電路波形圖示例。

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          圖10.自偏置配置面包板連接。

          添加發(fā)射極負反饋

          目標

          本活動的目的是研究添加發(fā)射極負反饋的影響。

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          圖11.自偏置配置,VIN和VCE。

          背景知識

          共發(fā)射極放大器為放大器提供反相輸出,具有極高增益,而且各晶體管之間的差異很大。此外,由于與溫度和偏置電流密切相關(guān),增益有時無法預(yù)測??梢酝ㄟ^在放大器級配置一個小值反饋電阻來改善電路的性能。

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          圖12.自偏置配置,VIN和VBE。

          附加材料

          一個5 kΩ可變電阻、電位計

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          圖13.添加了發(fā)射極負反饋。

          指導(dǎo)

          如圖13所示,斷開Q1發(fā)射極的接地連接,插入RE(一個5 kΩ電位計)。調(diào)整RE,同時注意觀察晶體管集電極上的輸出信號。

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          圖14.添加了發(fā)射極負反饋的面包板連接。

          硬件設(shè)置

          波形發(fā)生器輸出W1配置為1 kHz正弦波,峰峰值幅度為3 V,偏移為0 V。并將其連在接示波器通道1+上,以顯示發(fā)生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量Q1基極和集電極的波形。

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          圖15.添加了發(fā)射極負反饋,VIN和VCE。

          程序步驟

          打開連接到BJT晶體管集電極(VP = 5 V)的電源。

          配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。

          圖15和圖16是使用LTspice? 得到的仿真電路波形圖示例。

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          圖16.添加了發(fā)射極負反饋,VIN和VBE

          提高發(fā)射極負反饋放大器的交流增益

          添加發(fā)射極負反饋電阻提高了靜態(tài)工作點的穩(wěn)定性,但降低了放大器增益。可通過在負反饋電阻RE上添加電容C2,在一定程度上恢復(fù)了交流信號的較高增益,如圖17所示。

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          圖17.添加C2可提高交流增益。

          硬件設(shè)置

          波形發(fā)生器輸出W1配置為1 kHz正弦波,峰峰值幅度為3 V,偏移為0 V。并將其設(shè)連接在示波器通道1+上,以顯示發(fā)生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量Q1基極和集電極的波形。

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          圖18.添加C2之后的面包板連接,用于提高交流增益。

          程序步驟

          打開連接到BJT晶體管集電極(VP = 5 V)的電源。

          配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。

          圖19和圖20是使用LTspice? 得到的仿真電路波形圖示例。

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          圖19.添加C2可提高交流增益VIN和VCE

          問題

          ■   對于共發(fā)射極放大器電路設(shè)置,增加RL會對電壓增益A產(chǎn)生什么影響?

          您可以在學子專區(qū)博客上找到問題答案。

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          圖20.添加C2可提高交流增益VIN和VBE

          作者簡介:

          Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學院(RPI),獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來,他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品,并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年,他從全職工作轉(zhuǎn)型,并繼續(xù)以名譽研究員身份擔任ADI顧問,為“主動學習計劃”撰稿。2016年,他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

          Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師,從事ADI教學項目工作,同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士項目的理學碩士生,擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。



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