學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn)：共發(fā)射極放大器

目標(biāo)

本活動(dòng)的目的是研究BJT的共發(fā)射極配置。

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(lái)。

材料

? ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

? 無(wú)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)

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(guò)可調(diào)電阻RPOT與RB來(lái)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(guò)波形發(fā)生器W1提供足夠大的輸入激勵(lì)衰減?？紤]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(guò)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1.共發(fā)射極放大器測(cè)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(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2.共發(fā)射極放大器測(cè)試配置面包板連接。

程序步驟

打開(kāi)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。

圖3.共發(fā)射極放大器測(cè)試配置，VIN和VCE。

圖4.共發(fā)射極放大器測(cè)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(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(wú)關(guān)，并且無(wú)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5.替代方案的共發(fā)射極放大器測(cè)試配置。

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。

圖8.替代方案的共發(fā)射極放大器測(cè)試配置VBE縮放。

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(lái)設(shè)置晶體管IB、IC和IE三個(gè)初始直流電流。

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(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。

程序步驟

打開(kāi)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。

圖11.自偏置配置，VIN和VCE。

圖12.自偏置配置，VIN和VBE。

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。

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(wú)法預(yù)測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)在放大器級(jí)配置一個(gè)小值反饋電阻來(lái)改善電路的性能。

附加材料

一個(gè)5 kΩ可變電阻、電位計(jì)

指導(dǎo)

如圖13所示，斷開(kāi)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13.添加了發(fā)射極負(fù)反饋。

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14.添加了發(fā)射極負(fù)反饋的面包板連接。

程序步驟

打開(kāi)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15.添加了發(fā)射極負(fù)反饋，VIN和VCE。

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(guò)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。

程序步驟

打開(kāi)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18.添加C2之后的面包板連接，用于提高交流增益。

圖19.添加C2可提高交流增益VIN和VCE。

圖20.添加C2可提高交流增益VIN和VBE。

問(wèn)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?

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