ADALM2000實驗:CMOS放大器級

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


目標

本次實驗的目標是探討由互補MOS元件(CMOS)建構的高增益反相放大器。

材料

  • ADALM2000 主動學習模組
  • 無焊麵包板
  • 跳接線
  • 三個100 kΩ電阻
  • 一個10 kΩ電阻
  • 一個4.7 kΩ電阻
  • 兩個22μF電容
  • 兩個1μF電容
  • 一個10 pF電容
  • 一個CD4096A、CD4069UB、CD74HCU04或CD4007

背景資訊

CMOS反相器也可以被視為高增益放大器,它由一個PMOS元件M1和一個NMOS元件M2構成。通常,CMOS製程經過特別設計,使得NMOS和PMOS元件的閾值電壓VTH大致相等——即互補。然後,反相器的設計人員調整NMOS和PMOS元件的長寬比W/L,使其各自的跨導也相等。

Figure 1. CMOS inverting amplifier (CD4007 pins).
圖1.CMOS反相放大器(CD4007接腳)

說明

首先建構圖2所示的簡單示例,以測試簡單CMOS放大器的輸入到輸出傳遞函數。將Vp (5 V)電源連接到VDD(接腳14),並接地到GND(接腳7)。將波形產生器的輸出端連接到反相器輸入端之一(接腳1)以及示波器輸入端1+,並將反相器輸出端(接腳2)連接到示波器輸入端2+。如果您使用的是CD4069A(UB),您可以將接腳7 VSS連接到電路板負電源Vn,而不是接地,因為CD4069A(UB)支援大於5 V的電源電壓。

Figure 2. Amplifier transfer function.
圖2.放大器轉換函數
Figure 3. CD4007 package pinouts.
圖3.CD4007封裝接腳排列
Figure 4. Hardware setup using CD4007.
圖4.使用CD4007的硬體設定

硬體設定

CMOS反相放大器電路的麵包板連接如圖4所示。

配置波形產生器產生1 kHz三角波,峰對峰值幅度為4 V,偏移為2.5 V。兩個示波器通道均應設定為每格1 V。如果正負電源上使用CD4069A,您將需要使用更大的8 V峰對峰值幅度和0 V偏移。

程式步驟

測量輸出的斜率並計算放大器的直流增益,即輸出電壓的變化與輸出擺幅中心(大約2.5 V)處輸入電壓的變化之比。請注意,這應該是一個負數,因為放大器反相。

Scopy示波器圖示例如圖5所示。

Figure 5. CMOS inverting amplifier Scopy plot.
圖5.CMOS反相放大器Scopy圖

增加負反饋

使用無焊麵包板建構圖6所示的放大器電路。

Figure 6. A single-stage amplifier.
圖6.單級放大器

硬體設定

單級放大器的麵包板連接如圖7所示。

配置波形產生器產生1 kHz正弦波,峰對峰值幅度為2 V,偏移為0 V。

程式步驟

將2 V 峰對峰值幅度和0 V 偏移的正弦訊號應用於輸入端,並測量整個系統從10 kHz到100 kHz的增益。使用網路(Bode)分析儀繪製整個系統的增益和相位與頻率的關係圖。

LTspice®關係圖示例如圖8所示。

增加更多級以獲得更高增益

使用無焊麵包板建構圖9所示的放大器電路。

Figure 7. Hardware setup for a single-stage amplifier using CD4007.
圖7.使用CD4007的單級放大器的硬體設定
Figure 8. Plot for a single-stage amplifier using CD4007.
圖8.使用CD4007的單級放大器的關係圖
Figure 9. A 3-stage amplifier.
圖9.三級放大器

硬體設定

三級放大器的麵包板連接如圖10所示。

配置波形產生器產生1 kHz正弦波,峰對峰值幅度為2 V,偏移為0 V。

程式步驟

將2 V峰對峰值幅度和0 V偏移的正弦訊號應用於輸入端,並測量整個系統從10 kHz到100 kHz的增益。使用網路(Bode)分析儀繪製整個系統的增益和相位與頻率的關係圖。

LTspice關係圖示例如圖11所示。

Figure 10. A 3-stage amplifier hardware setup using CD4007.
圖10.使用CD4007的三級放大器的硬體設定
Figure 11. Plot for a 3-stage amplifier using CD4007.
圖11.使用CD4007的三級放大器的關係圖
Figure 12. Chopper amplifier.
圖12.斬波放大器

附加電路

斬波放大器

CD4069A(UB)無緩衝十六通道CMOS反相器和CD4066四通道類比開關用於斬波放大器的元件。參考圖12可以確定該電路的各種功能。圖12左下方的兩個反相器產生一個方波及其互補訊號,以驅動CD4066的切換控制。這些方波驅動開關,切換A和B在輸入端用作單刀雙擲開關,而切換C和D在輸出端執行相同的功能。圖12中間的另一個反相器用於交流耦合放大器,類似於我們剛剛在圖6中看到的。

在運行時,輸入訊號由輸入開關調變,並由交流放大器放大,然後由輸出開關解調。20 kΩ、560 pF低通濾波器大幅減少了輸出中的高頻漣波。

問題:

  • 對於圖6所示電路,從輸入源W1到反相器輸出端看到輸出的增益是多少?
  • 哪些元件決定了圖6所示電路的增益?

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