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ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器

發(fā)布時間:2020-07-08 來源:Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus 責任編輯:wenwei

【導讀】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。
 
目標
 
本活動的目的是研究BJT的共發(fā)射極配置。
 
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。
 
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NPN晶體管(2N3904)
 
指導
 
圖1所示配置展現(xiàn)了用作共發(fā)射極放大器的NPN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IC,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IC。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VBE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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖1.共發(fā)射極放大器測試配置。
 
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖2.共發(fā)射極放大器測試配置面包板連接。
 
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖3.共發(fā)射極放大器測試配置,VIN 和VCE。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖4.共發(fā)射極放大器測試配置,VIN 和VBE
 
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gm是集電極電流Ic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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
 
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
 
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(VBE)。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)。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖5.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖6.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置面包板連接。
 
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖7.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置,VIN 和 VBE。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖8.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置VBE縮放。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖9.自偏置配置。
 
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖10.自偏置配置面包板連接
 
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖11.自偏置配置,VIN 和VCE。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖12.自偏置配置,VIIN 和 VBE
 
目標
 
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。
 
附加材料
 
一個5 kΩ可變電阻、電位計
 
指導
 
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖13.添加了發(fā)射極負反饋。
 
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。
 
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖14.添加了發(fā)射極負反饋的面包板連接。
 
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖15.添加了發(fā)射極負反饋,VIN 和 VCE。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
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??赏ㄟ^在負反饋電阻RE上添加電容C2,在一定程度上恢復了交流信號的較高增益,如圖17所示。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
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。
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖19.添加C2可提高交流增益VIN 和 VCE
 
ADALM2000實驗:共發(fā)射極放大器
圖20.添加C2可提高交流增益VIN 和 VBE。
 
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?
 
 
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