學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn)：跨阻放大器輸入級

目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)旨在研究簡單跨阻放大器的輸入級配置。

背景信息

跨阻放大器輸出的電壓與輸入電流成比例?？缱璺糯笃魍ǔ１环Q為互阻放大器，尤其是半導(dǎo)體制造商喜歡這樣叫。在網(wǎng)絡(luò)分析中，跨阻放大器的一般描述是電流控制的電壓源(CCVS)。

反相跨阻放大器可由傳統(tǒng)運(yùn)算放大器和單個(gè)電阻器構(gòu)成。電阻器連接在運(yùn)算放大器的輸出和反相輸入之間，同相輸入連接到地。這樣，輸出電壓便與反相輸入節(jié)點(diǎn)處的輸入電流成比例，隨著輸入電流的增加而減小，反之亦然。

本次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)探究一種交替差分輸入結(jié)構(gòu)，它能夠產(chǎn)生固有的低輸入阻抗（電流輸入），而在ADI公司 6月學(xué)子專區(qū)實(shí)驗(yàn)和 7月學(xué)子專區(qū)實(shí)驗(yàn)(MOS)中探究的電壓差分對則與此相反，其輸入阻抗相對較高。完整的轉(zhuǎn)換放大器可能需要添加更多增益級和一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器級。

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

■   無焊面包板

■   跳線

■   三個(gè)1 kΩ電阻

■   兩個(gè)2.2 kΩ電阻

■   一個(gè)47 kΩ電阻

■   兩個(gè)10μF電容

■   兩個(gè)NPN晶體管（2N3904或SSM2212）

■   兩個(gè)PNP晶體管（2N3906或SSM2220）

說明

與ADALM2000（ADI公司）相連的電路及連接如圖1所示。NPN晶體管Q1和Q2以及PNP晶體管Q3和Q4應(yīng)從VBE匹配最佳的可用器件中選擇。在同一封裝中制造的晶體管，例如SSM2212、SM2220或CA3046，往往比單個(gè)器件匹配得更好。探究本電路的工作原理時(shí)，示波器輸入1+可以連接到Q1和Q3發(fā)射極的連接點(diǎn)，或連接到Q1或Q3的集電極。位于Q1和Q3的發(fā)射極連接點(diǎn)的電流輸入節(jié)點(diǎn)是標(biāo)稱低阻抗，因此它可以從電流源驅(qū)動(dòng)。ADALM2000的AWG輸出更像電壓源。因此，1 kΩ電阻RIN用于將AWG1的電壓輸出轉(zhuǎn)換為電流(IIN = VIN/1 kΩ)。

圖1 電流驅(qū)動(dòng)的跨阻放大器輸入級

圖2 面包板電路上的電流驅(qū)動(dòng)跨阻放大器輸入級

硬件設(shè)置

第一個(gè)波形發(fā)生器W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為800 mV，偏移為0。示波器的通道1應(yīng)連接為顯示第一發(fā)生器的輸出，通道2應(yīng)設(shè)置為顯示輸出信號（每格40 mV）。

程序步驟

配置示波器以捕獲所測量的兩個(gè)信號的多個(gè)周期。使用LTspice^?的波形示例如圖3所示。

圖3 電流驅(qū)動(dòng)的跨阻放大器輸入級的波形

觀測RL的輸出，其為Q1和Q3的集電極信號交流耦合的和。測量從AWG1輸出到RL的電壓增益，并將其與計(jì)算值進(jìn)行比較。觀測電流輸入節(jié)點(diǎn)（1+，Q1和Q3的發(fā)射極在此連接）處的信號的電壓幅度?；谠摲扔?jì)算放大器的輸入電流幅度（RIN兩端的電壓除以RIN）和有效輸入電阻。將這些值與計(jì)算值進(jìn)行比較。

配置電壓驅(qū)動(dòng)

附加材料

■   一個(gè)470 Ω電阻

說明

現(xiàn)在將輸入重新配置為電壓驅(qū)動(dòng)。用470 Ω電阻替換RIN，另一端接地，如圖4所示。斷開Q2和Q4的發(fā)射極與地的連接，并斷開其與AWG1輸出的連接。

圖4 帶尾電流源的差分對

硬件設(shè)置

第一個(gè)波形發(fā)生器W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為800 mV，偏移為0。示波器的通道1應(yīng)連接為顯示第一發(fā)生器的輸出，通道2應(yīng)設(shè)置為顯示輸出信號（每格80 mV）。

圖5 面包板電路上的電壓驅(qū)動(dòng)跨阻放大器輸入級

程序步驟

配置示波器以捕獲所測量的兩個(gè)信號的多個(gè)周期。使用LTspice的波形示例如圖6所示。

圖6 電壓驅(qū)動(dòng)的跨阻放大器輸入級的波形

觀測RL的輸出，其為Q1和Q3的集電極信號交流耦合的和。測量從AWG1輸出到RL的電壓增益，并將其與計(jì)算值進(jìn)行比較。觀測電流輸入節(jié)點(diǎn)（1+，Q1和Q3的發(fā)射極在此連接）處的信號的電壓幅度?；谠摲扔?jì)算放大器的輸入電流幅度（R_IN兩端的電壓除以R_IN）和有效輸入電阻。將這些值與計(jì)算值進(jìn)行比較。

在該電壓驅(qū)動(dòng)配置中，為了測量輸入驅(qū)動(dòng)器(W1)需要提供的電流，應(yīng)插入1 kΩ電阻與AWG1（以及Q2和Q4的發(fā)射器）串聯(lián)。橫跨1 kΩ電阻連接差分通道1示波器輸入1+、1-。當(dāng)AWG1以±400 mV擺幅擺動(dòng)時(shí)，觀測此電壓并計(jì)算電流。

問題：

■   說出定義跨阻放大器的主要特性。

■   您能否指出采用此類電路的一些應(yīng)用？您可以在學(xué)子專區(qū) 論壇上找到答案。

作者簡介

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。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。

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。聯(lián)系方式：antoniu.miclaus@analog.com。