ADALM2000实验: 共发射极放大器的频率响应

目标:

本次活动的目的是研究使用NPN BJT晶体管的共发射极放大器配置的频率响应。

共发射极放大器拓扑

典型共发射极放大器的原理图如图1所示。电容 CB 和 CC 用于将放大器直流偏置点和输入输出(交流耦合)隔开。电容CE是交流旁路电容,用于在Q1的发射极建立低频交流接地。米勒电容CF是一个小电容,用于控制放大器的3 dB高频响应。

Figure 1. Common emitter BJT amplifier.
图1.共发射极BJT放大器。

低频响应

图2显示放大器的低频、小信号等效电路。请注意,假定CF在低频下的阻抗非常高,因此在此等效电路中CF可忽略。RB是RB1和RB2的并联等效电阻。

Figure 2. Low frequency equivalent circuit.
图2.低频等效电路。

使用短路时间常数分析方法,低频的3 dB频点(ωL) 可通过以下公式计算:

Equation 1 - July 2020 StudentZone

其中

Equation 2 - July 2020 StudentZone

Equation 3 - July 2020 StudentZone

Equation 4 - July 2020 StudentZone

高频响应

图3显示了放大器的高频、小信号等效电路。在高频下, CB、CC和CE可使用短路来替代,因为与RS、RL和RE相比,它们的阻抗非常小。

Figure 3. High frequency equivalent circuit.
图3.高频等效电路。

较高的3 dB频率(ωH) 可通过以下公式推导:

Equation 5 - July 2020 StudentZone

其中

Equation 6 - July 2020 StudentZone

Equation 7 - July 2020 StudentZone

因此,如果我们假设共发射极放大器可以通过这些主要的低频和高频极点来适当表征,那么该放大器的频率响应的近似值可通过以下公式计算:

Equation 8 - July 2020 StudentZone

其中:

s为复角频率

AV为中频增益

ωL 为低角角频率

ωH为高角角频率


实验前设置

假定CB = CC = CE = 1法拉,CF = CΠ = Cµ = 0,使用2N3904晶体管,设计具有以下规格的共发射极放大器:

VCC = 5 V
RS = 50 Ω
RL = 1 kΩ
RIN >250 Ω
ISUPPLY <8 mA
AV >50
峰峰值非削波输出摆幅>3 V

  • 显示您的所有计算、设计步骤和最元件值。
  • 使用LTspice®电路仿真器验证结果。提交表明符合规格的所有必要仿真图。同时提供具有直流偏置点注释的电路原理图。
  • 使用LTspice,计算CF = 0时高频的3 dB频点(fH)。
  • 使用仿真的工作点数据确定晶体管的Cπ、Cμ和rb。使用"高频响应"部分的公式计算fH,并与第3步中获得的仿真结果进行比较。记住,该公式计算的是角频率,需要将其转换为Hz。
  • 计算CF的值,使fH = 5 kHz。仿真电路以验证结果并根据需要调整CF的值。
  • 计算CB、CC、CE,使fL = 500 Hz。执行电路仿真以验证结果,并根据需要调整电容的值。

实验室步骤

目标:

本实验活动的目标是通过构建实际电路并测量其频率响应性能来验证实验前设计的相关元件的值。

Materials:


  • ADALM2000 主动学习模块
  • 无焊面包板
  • ADALP2000模拟套件中的6个不同电阻值的电阻
  • ADALP2000模拟套件中4个不同电容值的电容
  • 一个小信号NPN晶体管(2N3904)

请注意,在源电阻 RS和ADALM2000的AWG输出上,AWG输出具有50 Ω串联输出电阻,您需要将该电阻以及外部电阻与输出串联。此外,由于设计具有相对较高的增益,您还需要具有约100 mV峰峰值小振幅的输入信号。从噪声角度看,在AWG输出和电路输入之间插入电阻分压器来衰减信号比在软件中调低AWG更好。使用图4中所示的类似设置,将提供1/16衰减系数和60 Ω等效源电阻。根据您的可用电阻值,也可组合其他电阻值——在我们的示例中,将使用标准电阻值68 Ω。

Figure 4. A signal attenuator with a 68 Ω source resistance.
图4.使用68 Ω源电阻的信号衰减器。

硬件设置

Figure 5. A common emitter amplifier breadboard schematic.
图5.共发射极放大器面包板原理图。

在面包板上构建电路。

Figure 6. Common emitter BJT amplifier breadboard connection.
图6.共发射极BJT放大器面包板连接。

说明


  • 根据图1中的原理图构建您在实验前设计的放大器。基于实验前的设计值,使用套件中最接近的标准值。记住,您可以串联或并联组合标准值,以得到更接近设计数值的组合值。
  • 通过测量IC、VE、VC和VB,检查直流工作点。如果任何直流偏置值与通过仿真获取的值有显著差异,则修改电路以获得所需的直流偏置,再继续执行下一步。
  • 使用Scopy软件中的网络分析仪工具获取50 Hz至20 kHz的放大器频率响应幅度,并确定3 dB低频fL和高频fH
  • 在中频频率下,测量AV, RIN, 和 ROUT

使用图5中的LTspice电路仿真提供波形图示例。

Figure 7. LTspice ac sweep plot with CF = 0.047 μF.
图7.CF = 0.047 µF时的LTspice交流扫描图。
Figure 8. LTspice plot with CF = 0.047 μF at frequency = 1.5 kHz.
图8.CF = 0.047 µF且频率 = 1.5 kHz时的LTspice图。

问题:

  • 改用一个容值更小(0.01 µF)的电容CF,并使用网络分析仪工具或交流扫描仿真重新测量响应曲线。观察新电容值对响应的影响,并解释说明。

您可以在 学子专区博客上找到问题答案。

作者

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercer 在1977至2009年间一直在ADI公司从事全职工作,最后14年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品系列的30多款标准产品都有他的贡献,AD783就是其中一款。自2009年起,他转而担任ADI公司的兼职顾问研究员,最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工学院的联络人,从事本科生电气工程教育推广和发展方面的工作。

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus

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。