ADALM2000實驗:跨阻放大器輸入級配置

作者:ADI顧問研究員Doug Mercer 和系統應用工程師Antoniu Miclaus


目標

本次實驗目的在研究簡單跨阻放大器的輸入級配置。

背景資訊

跨阻放大器輸出的電壓與輸入電流成比例。跨阻放大器通常被稱為互阻放大器,尤其是半導體製造商喜歡這樣稱呼。在網路分析中,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運算放大器和單一電阻器構成。電阻器連接在運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點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。

本次實驗活動探究一種交替差分輸入結構,它能夠產生固有的低輸入阻抗(電流輸入),而 學子專區實驗學子專區實驗(MOS)中探究的電壓差分對則與此相反,其輸入阻抗相對較高。完整的轉換放大器可能需要增加更多增益級和一個輸出驅動器級。

材料

  • ADALM2000 主動學習模組
  • 無焊麵包板
  • 跳接線
  • 三個1 kΩ電阻
  • 兩個2.2 kΩ電阻
  • 一個47 kΩ電阻
  • 兩個10μF電容
  • 兩個NPN電晶體(2N3904或SSM2212)
  • 兩個PNP電晶體(2N3906或SSM2220)

說明

與ADALM2000相連的電路及連接如圖1所示。NPN電晶體Q1和Q2以及PNP電晶體Q3和Q4應從VBE匹配最佳的可用元件中選擇。在同一封裝中製造的電晶體,例如SSM2212、SM2220或CA3046,往往比單一元件匹配得更好。探究本電路的工作原理時,示波器輸入1+可以連接到Q1和Q3發射極的連接點,或連接到Q1或Q3的集電極。位於Q1和Q3的發射極連接點的電流輸入節點是標準低阻抗,因此它可以從電流源驅動。ADALM2000的AWG輸出更像電壓源。因此,1 kΩ電阻RIN用於將AWG1的電壓輸出轉換為電流(IIN = VIN/1 kΩ)。

Figure 1. A transresistance amplifier input stage with current drive.
圖1.電流驅動的跨阻放大器輸入級 
Figure 2. A transresistance amplifier input stage with current drive on a breadboard circuit.
圖2.麵包板電路上的電流驅動跨阻放大器輸入級

硬體設定

第一個波形產生器W1配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度為800 mV,偏移為0。示波器的通道1應連接為顯示第一產生器的輸出,通道2應設定為顯示輸出訊號(每格40 mV)。

程式步驟

配置示波器以擷取所測量的兩個訊號的多個週期。使用LTspice®的波形示例如圖3所示。

Figure 3. The waveforms of a transresistance amplifier input stage with current drive.
圖3.電流驅動的跨阻放大器輸入級的波形

觀測RL的輸出,其為Q1和Q3的集電極訊號交流耦合的和。測量從AWG1輸出到RL的電壓增益,並將其與計算值進行比較。觀測電流輸入節點(1+,Q1和Q3的發射極在此連接)處的訊號的電壓幅度。基於該幅度計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。將這些值與計算值進行比較。

配置電壓驅動

附加材料

  • 一個470 Ω電阻

說明

現在將輸入重新配置為電壓驅動。用470 Ω電阻替換RIN,另一端接地,如圖4所示。斷開Q2和Q4的發射極與地的連接,並斷開其與AWG1輸出的連接。

Figure 4. Differential pair with tail current source.
圖4.帶尾電流源的差分對

硬體設定

第一個波形產生器W1配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度為800 mV,偏移為0。示波器的通道1應連接為顯示第一產生器的輸出,通道2應設定為顯示輸出訊號(每格80 mV)。

Figure 5. A transresistance amplifier input stage with voltage drive on a breadboard circuit.
圖5.麵包板電路上的電壓驅動跨阻放大器輸入級

程式步驟

配置示波器以擷取所測量的兩個訊號的多個週期。使用LTspice的波形示例如圖6所示。

Figure 6. The waveforms of a transresistance amplifier input stage with voltage drive.
圖6.電壓驅動的跨阻放大器輸入級的波形

觀測RL的輸出,其為Q1和Q3的集電極訊號交流耦合的和。測量從AWG1輸出到RL的電壓增益,並將其與計算值進行比較。觀測電流輸入節點(1+,Q1和Q3的發射極在此連接)處的訊號的電壓幅度。基於該幅度計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。將這些值與計算值進行比較。

在該電壓驅動配置中,為了測量輸入驅動器(W1)需要提供的電流,應插入1 kΩ電阻與AWG1(以及Q2和Q4的發射器)串聯。橫跨1 kΩ電阻連接差分通道1示波器輸入1+、1-。當AWG1以±400 mV擺幅擺動時,觀測此電壓並計算電流。

問題:

說出定義跨阻放大器的主要特性。

您能否指出採用此類電路的一些應用?您可以在 學子專區 部落格上找到答案。