ADALM2000實驗：共發(fā)射極放大器

目標

本活動的目的是研究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。

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NPN晶體管(2N3904)

圖3.共發(fā)射極放大器測試配置，V_IN和V_CE。

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，V_CE電壓約為V_P(5 V)的一半。通過可調(diào)電阻RPOT與RB來設置晶體管(I_B)的標稱偏置工作點，進而設置所需的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。

圖4.共發(fā)射極放大器測試配置，V_IN和V_BE。

硬件設置

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。

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(V_P = 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。

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，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）。

圖6.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置面包板連接。

圖7.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置，VIN和VBE。

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置晶體管IB、IC和IE三個初始直流電流。

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。

圖9.自偏置配置。

程序步驟

打開連接到BJT晶體管集電極(V_P = 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。

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。

圖11.自偏置配置，V_IN和V_CE。

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，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。

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

圖13.添加了發(fā)射極負反饋。

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。

圖14.添加了發(fā)射極負反饋的面包板連接。

硬件設置

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。

圖15.添加了發(fā)射極負反饋，V_IN和V_CE。

程序步驟

打開連接到BJT晶體管集電極(V_P = 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。

圖16.添加了發(fā)射極負反饋，V_IN和V_BE。

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。

圖17.添加C2可提高交流增益。

硬件設置

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。

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(V_P = 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。

圖19.添加C2可提高交流增益V_IN和V_CE。

問題

■   對于共發(fā)射極放大器電路設置，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。

圖20.添加C2可提高交流增益V_IN和V_BE。

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。