ADALM2000實(shí)驗(yàn)：共發(fā)射極放大器
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目標(biāo)
本活動(dòng)的目的是研究BJT的共發(fā)射極配置。
圖1.共發(fā)射極放大器測(cè)試配置。
背景知識(shí)：
共發(fā)射極放大器是三種基本單級(jí)放大器拓?fù)渲?。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。
圖2.共發(fā)射極放大器測(cè)試配置面包板連接。
材料：
■ ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
■ 無焊面包板
■ 五個(gè)電阻
■ 一個(gè)50 kΩ可變電阻、電位計(jì)
■ 一個(gè)小信號(hào)NPN晶體管(2N3904)
圖3.共發(fā)射極放大器測(cè)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NPN晶體管。選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲐?fù)載電阻RL，用于產(chǎn)生合適的標(biāo)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(biāo)稱偏置工作點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)置所需的IC。選擇適當(dāng)?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(lì)衰減。考慮到在晶體管VBE的基極上會(huì)出現(xiàn)非常小的信號(hào)，這樣做更容易查看發(fā)生器W1信號(hào)。衰減波形發(fā)生器W1信號(hào)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。
圖4.共發(fā)射極放大器測(cè)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(hào)W1。示波器通道2 (2+)用于交替測(cè)量Q1基極和集電極的波形。
圖5.替代方案的共發(fā)射極放大器測(cè)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(gè)周期的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。
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(fù)載電阻RL與小信號(hào)發(fā)射極電阻re的比值。晶體管的跨導(dǎo)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。
小信號(hào)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(hào)，相同的電流（忽略基極電流）會(huì)流入re和集電極負(fù)載RL。因此，由RL與re的比值可得到增益A。
圖5所示為另一種共發(fā)射極放大器測(cè)試電路方案。除了兩個(gè)小優(yōu)勢(shì)之外，所有屬性基本相同。其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是基極電流偏置不再取決于指數(shù)基極電壓(VBE)。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是AWG1衰減后輸出的交流小信號(hào)與基極偏置電路無關(guān)，并且無需交流耦合。當(dāng)把交流小信號(hào)接在運(yùn)算放大器的同相端子時(shí)，由于負(fù)反饋的作用，它也會(huì)出現(xiàn)在晶體管的基極端（反相運(yùn)算放大器輸入）。
圖6.替代方案的共發(fā)射極放大器測(cè)試配置面包板連接。
圖7.替代方案的共發(fā)射極放大器測(cè)試配置，VIN和VBE。
提供負(fù)反饋的自偏置配置
目標(biāo)
本節(jié)旨在研究添加負(fù)反饋對(duì)穩(wěn)定直流工作點(diǎn)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(gè)或多個(gè)偏置電阻來設(shè)置晶體管IB、IC和IE三個(gè)初始直流電流。
圖8.替代方案的共發(fā)射極放大器測(cè)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(hào)W1。示波器通道2 (2+)用于交替測(cè)量Q1基極和集電極的波形。
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(gè)周期的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。
圖11和圖12是使用LTspice? 得到的仿真電路波形圖示例。
圖10.自偏置配置面包板連接。
添加發(fā)射極負(fù)反饋
目標(biāo)
本活動(dòng)的目的是研究添加發(fā)射極負(fù)反饋的影響。
圖11.自偏置配置，VIN和VCE。
背景知識(shí)
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(shí)無法預(yù)測(cè)?？梢酝ㄟ^在放大器級(jí)配置一個(gè)小值反饋電阻來改善電路的性能。
圖12.自偏置配置，VIN和VBE。
附加材料
一個(gè)5 kΩ可變電阻、電位計(jì)
圖13.添加了發(fā)射極負(fù)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(gè)5 kΩ電位計(jì)）。調(diào)整RE，同時(shí)注意觀察晶體管集電極上的輸出信號(hào)。
圖14.添加了發(fā)射極負(fù)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(hào)W1。示波器通道2 (2+)用于交替測(cè)量Q1基極和集電極的波形。
圖15.添加了發(fā)射極負(fù)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(gè)周期的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。
圖15和圖16是使用LTspice? 得到的仿真電路波形圖示例。
圖16.添加了發(fā)射極負(fù)反饋，VIN和VBE。
提高發(fā)射極負(fù)反饋放大器的交流增益
添加發(fā)射極負(fù)反饋電阻提高了靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，但降低了放大器增益。可通過在負(fù)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(hào)的較高增益，如圖17所示。
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(hào)W1。示波器通道2 (2+)用于交替測(cè)量Q1基極和集電極的波形。
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(gè)周期的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。
圖19和圖20是使用LTspice? 得到的仿真電路波形圖示例。
圖19.添加C2可提高交流增益VIN和VCE。
問題
■ 對(duì)于共發(fā)射極放大器電路設(shè)置，增加RL會(huì)對(duì)電壓增益A產(chǎn)生什么影響？
您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問題答案。
圖20.添加C2可提高交流增益VIN和VBE。
作者簡(jiǎn)介：
Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)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(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)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(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)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(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。
評(píng)論