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学子专区—ADALM 2000 实验：共发射极放大器

时间：2020-08-13 11:11来源：ADI 公司 - Doug Mercer，Antoniu Miclaus

摘要：共发射极放大器是三种基本单级放大器拓扑之一。BJT共发射极放大器一般用作反相电压放大器。晶体管的基极端为输入，集电极端为输出，而发射极为输入和输出共用（可连接至参考地端或电源轨），所谓“共射”即由此而来。

目标
本活动的目的是研究BJT的共发射极配置。
 
背景知识
共发射极放大器是三种基本单级放大器拓扑之一。BJT共发射极放大器一般用作反相电压放大器。晶体管的基极端为输入，集电极端为输出，而发射极为输入和输出共用（可连接至参考地端或电源轨），所谓“共射”即由此而来。
 
 材料
► ADALM2000主动学习模块
► 无焊面包板
► 五个电阻
► 一个50 kΩ可变电阻、电位计
► 一个小信号NPN晶体管(2N3904)
 
指导
图1所示配置展现了用作共发射极放大器的NPN晶体管。选择适当的输出负载电阻RL，用于产生合适的标称集电极电流IC，VCE电压约为VP (5 V)的一半。通过可调电阻RPOT与RB来设置晶体管(IB)的标称偏置工作点，进而设置所需的IC。选择适当的分压器R1/R2，以便通过波形发生器W1提供足够大的输入激励衰减。考虑到在晶体管VBE的基极上会出现非常小的信号，这样做更容易查看发生器W1信号。衰减波形发生器W1信号通过4.7 uF电容交流耦合到晶体管基极，以免干扰直流偏置条件。
 
 
图1.共发射极放大器测试配置。
 
硬件设置
波形发生器输出W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为3 V，偏移为0 V。并将其连接在示波器通道1+上，以显示发生器输出的信号W1。示波器通道2 (2+)用于交替测量Q1基极和集电极的波形。

 
图2.共发射极放大器测试配置面包板连接。
 
程序步骤
打开连接到BJT晶体管集电极(VP = 5 V)的电源。
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。
图3和图4是使用LTspice® 得到的仿真电路波形图示例。

 
图3.共发射极放大器测试配置，VIN和VCE。
 
 
图4.共发射极放大器测试配置，VIN和VBE。
 
共发射极放大器的电压增益A可以表示为负载电阻RL与小信号发射极电阻re的比值。晶体管的跨导gm是集电极电流IC和所谓的热电压kT/q的函数，在室温下其近似值约为25 mV或26 mV。
 
 
小信号发射极电阻为1/gm且可视为与发射极串联。现在，在基极上施加电压信号，相同的电流（忽略基极电流）会流入re和集电极负载RL。因此，由RL与re的比值可得到增益A。
 
 
图5所示为另一种共发射极放大器测试电路方案。除了两个小优势之外，所有属性基本相同。其中一个优势是基极电流偏置不再取决于指数基极电压(VBE)。第二个优势是AWG1衰减后输出的交流小信号与基极偏置电路无关，并且无需交流耦合。当把交流小信号接在运算放大器的同相端子时，由于负反馈的作用，它也会出现在晶体管的基极端（反相运算放大器输入）。

 
图5.替代方案的共发射极放大器测试配置。
 
 
图6.替代方案的共发射极放大器测试配置面包板连接。
 
 
图7.替代方案的共发射极放大器测试配置，VIN和VBE。
 
 
图8.替代方案的共发射极放大器测试配置VBE缩放。
 
提供负反馈 的自偏置配置
 
目标
本节旨在研究添加负反馈对稳定直流工作点的效果。晶体管电路最常用的一种偏置电路是发射极自偏置电路，它使用一个或多个偏置电阻来设置晶体管IB、IC和IE三个初始直流电流。
 
 
图9.自偏置配置。
 
硬件设置
波形发生器输出W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为3 V，偏移为0 V。并将其连接在示波器通道1+上，以显示发生器输出的信号W1。示波器通道2 (2+)用于交替测量Q1基极和集电极的波形。
 
程序步骤
打开连接到BJT晶体管集电极(VP = 5 V)的电源。
 
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。
 
图11和图12是使用LTspice® 得到的仿真电路波形图示例。
 
 
图10.自偏置配置面包板连接。
 
 
图11.自偏置配置，VIN和VCE。
 
 
图12.自偏置配置，VIN和VBE。
 
添加发射极负反馈
目标
本活动的目的是研究添加发射极负反馈的影响。
 
背景知识
共发射极放大器为放大器提供反相输出，具有极高增益，而且各晶体管之间的差异很大。此外，由于与温度和偏置电流密切相关，增益有时无法预测。可以通过在放大器级配置一个小值反馈电阻来改善电路的性能。
 
附加材料
一个5 kΩ可变电阻、电位计
 
指导
如图13所示，断开Q1发射极的接地连接，插入RE（一个5 kΩ电位计）。调整RE，同时注意观察晶体管集电极上的输出信号。
 
 
图13.添加了发射极负反馈。
 
硬件设置
波形发生器输出W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为3 V，偏移为0 V。并将其连在接示波器通道1+上，以显示发生器输出的信号W1。示波器通道2 (2+)用于交替测量Q1基极和集电极的波形。

 
图14.添加了发射极负反馈的面包板连接。
 
程序步骤
打开连接到BJT晶体管集电极(VP = 5 V)的电源。
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。
图15和图16是使用LTspice® 得到的仿真电路波形图示例。

 
图15.添加了发射极负反馈，VIN和VCE。
 
 
图16.添加了发射极负反馈，VIN和VBE。
 
提高发射极负反馈放大器的交流增益
添加发射极负反馈电阻提高了静态工作点的稳定性，但降低了放大器增益。可通过在负反馈电阻RE上添加电容C2，在一定程度上恢复了交流信号的较高增益，如图17所示。

 
图17.添加C2可提高交流增益。
 
硬件设置
波形发生器输出W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为3 V，偏移为0 V。并将其设连接在示波器通道1+上，以显示发生器输出的信号W1。示波器通道2 (2+)用于交替测量Q1基极和集电极的波形。
 
程序步骤
打开连接到BJT晶体管集电极(VP = 5 V)的电源。
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。
图19和图20是使用LTspice® 得到的仿真电路波形图示例。

 
图18.添加C2之后的面包板连接，用于提高交流增益。
 
 
图19.添加C2可提高交流增益VIN和VCE。
 
 
图20.添加C2可提高交流增益VIN和VBE。
 
问题
► 对于共发射极放大器电路设置，增加RL会对电压增益A产生什么影响？
 
您可以在学子专区博客上找到问题答案。
 
作者简介
Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI)，获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。
 
Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生，拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。
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