ADALM2000 動態: 共射極放大器

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

目標

本活動旨在研究雙極接面電晶體(BJT)的共射極組態

背景知識

共射極放大器是三種基本單極放大器拓撲的其中一 種。BJT版本的功能是作為反相(inverting)電壓放大器。電晶體的基極端子作為輸出端,集極作為輸出端,而射極則作為輸出與輸出的公共端(可連至接地參考或電源輸電軌),這也是其名稱的由來。

材料


  • ADALM2000 主動學習模組
  • 免焊麵包板
  • 5個電阻
  • 一個50 kΩ可調電阻,電位計
  • 一個小訊號NPN電晶體 (2N3904)

解說

圖1顯示的組態展現NPN電晶體用來作為共射極放大器。這裡選擇輸出負載電阻RL,我們要的額定集極電流IC大約是VCE上出現VP (5 V)的一半。可變電阻RPOT連同RB設定成額定偏壓操作點,藉以讓(IB) 設定成我們所要的IC。這裡選用電壓分壓器R1/R2,針對從波形產生器W1傳來的輸入電壓為其提供夠大的衰減幅度。從產生器W1訊號更容易看出端倪,很小的訊號出現在電晶體的基極VBE。衰減波形產生器W1訊號用4.7 µF的電容交流耦合(ac-coupled)至電晶體的基極,使其不會干擾到直流偏壓的狀態。

Figure 1. Common emitter amplifier test configuration.
圖1. 共射極放大器器的測試組態

硬體設置

波形產生器輸出端W1的設定係根據 1kHz 正弦波,峰對峰振幅3V,以及0V偏移電壓。這個設定應配合連結的Scope Channel 1+頻道,以顯示輸出W1。Scope Channel 2 (2+)頻道則用來量測Q1基極與集極的波形。

Figure 2. Common emitter amplifier test configuration breadboard connection.
圖2. 共射極放大器測試組態的麵包板接線

程式

開啟連至BJT電晶體集極(VP = 5 V)的電源供應器

設定示波器,擷取數個週期的輸入訊號與輸出訊號

用LTspice®畫出模擬電路,如圖3與圖4所示。

Figure 3. Common emitter amplifier test configuration, VIN and VCE.
圖3. 共射極放大器測試組態VIN與VCE.
Figure 4. Common emitter amplifier test configuration, VIN and VBE.
圖4. 共射極放大器測試組態VIN與VBE.

共射極放大器的電壓增益可表示成負載電阻RL 與小訊號射極電阻re的比值。電晶體的互導gm則是集極電流IC 與所謂熱電壓kT/q的函數,在室溫下其數值範圍大約在25 mV或26 mV之間。

Equation 1

小訊號射極電阻為 1/gm ,可看成與射極串聯。接著把一個訊號接到基極,相同的電流(忽略基極電流)會經過re 以及集極負載RL。而增益A則是RL 與re的比值。

Equation 2

圖5顯示另一種方法,用來產生共射極放大器測試電路。所有屬性基本都相同,差別在於多了兩個些微的優點。其中之一是基極電流偏壓不再取決於指數基極電壓(VBE)。第二點則是衰減後AWG 1輸出端的小交流訊號係取決於基極偏壓電路,且不需要進行交流耦合。小訊號交流輸入貫入到操作放大器(運算放大器)非反相端子,因此由於負回授的緣故也會出現在電晶體的基極(用來反轉運算放大器的輸入)

Figure 5. Alternate common emitter amplifier test configuration.
圖5. 另一種共射極放大器測試組態
Figure 6. Alternate common emitter amplifier test configuration breadboard connection.
圖6. 另一種共射極放大器測試組態的麵包板接線

自偏壓組態與負回授

目標

本節的目的是研究為穩定直流操作點,選擇加入負回授元件後,會產生的效應。電晶體電路其中一種最常用的偏壓電路是射極偏壓電路的自偏壓部分,用一個或多個偏壓電阻,用來為3個電晶體電流IB、IC和IE設定其初始直流值。

Figure 7. Alternate common emitter amplifier test configuration, VIN and VBE.
圖7. 另一種共射極放大器測試組態VIN與VBE.
Figure 8. Alternate common emitter amplifier test configuration VBE zoom.
圖8. 另一種共射極放大器測試組態VBE放大器
Figure 9. Self-biased configuration.
圖9. 自偏壓組態

硬體設定

波形產生器輸出W1的設定,應針對1 kHz正弦波,其峰對峰振幅3 V而偏壓為0 V。這個設定應連上Scope Channel 1+以顯示輸出W1。Scope Channel 2 (2+)則用來量測Q1基極與集極的波形。

Figure 10. Self-biased configuration breadboard connection.
圖10. 自偏壓組態麵包板接線

程式

開啟連至BJT電晶體集極(VP = 5 V)的電源供應器

設定示波器,擷取數個週期的輸入訊號與輸出訊號

繪製模擬電路的範例(使用LTspice),如圖11與圖12所示。

Figure 11. Self-biased configuration, VIN and VCE.
圖11. 自偏壓組態VIN與VCE.
Figure 12. Self-biased configuration, VIN and VBE.
圖12. 自偏壓組態 VIN與VBE.

背景

共射極放大器能為放大器提供反相輸出,本身有極高的增益,而不同電晶體產生增益的差異甚大。此外,由於溫度與偏壓電流的相依性,導致增益難以預測。藉由在放大器級加入小數值回授電阻,即可提升電路的效能。

增加的材料

一個5 kΩ 可調電阻,電位計

解說

斷開Q1射極與接地端之間的連結,然後插入RE,一個5 kΩ電位計,如圖13所示。調整電阻RE,同時記錄下在電晶體集極上看到的輸出訊號

Figure 13. Emitter degeneration added.
圖13. 加入射極衰減元件

硬體設定

波形產生器輸出W1配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度為3 V,偏移為0 V。並將其連在接示波器通道1+上,以顯示產生器輸出的訊號W1。示波器通道2 (2+)用於交替測量Q1基極和集電極的波形。

Figure 14. Emitter degeneration added breadboard connection.
圖14. 射極衰減元件加入到麵包板

程式步驟

開啟連至BJT電晶體集極(VP = 5 V)的電源供應器

設定示波器,擷取數個週期的輸入訊號與輸出訊號

繪製模擬電路的範例(使用LTspice),如圖15與圖16所示。

Figure 15. Emitter degeneration added, VIN and VCE.
圖15. 加入射極衰減 VIN與d VCE.
Figure 16. Emitter degeneration added, VIN and VBE.
圖16. 加入射極衰減VIN與VBE.

提高射極衰減放大器的交流增益

加入射極衰減電阻,讓我們能用較低成本放大器增益來改進直流操作點的穩定度。交流訊號的較高增益則可回復到一定的程度,方法是在衰減電阻RE上加入電容C2,如圖17所示。

Figure 17. C2 added to increase ac gain.
圖17. 加入C2 以提高交流增益

硬體設置

波形產生器輸出W1的設定,應針對1 kHz正弦波,其峰對峰振幅3 V而偏壓為0 V。這個設定應連上Scope Channel 1+以顯示輸出W1。Scope Channel 2 (2+)則用來量測Q1基極與集極的波形。

Figure 18. Breadboard connection with C2 added to increase the ac gain.
圖18. 麵包板接線,加入C2以提高交流增益

程式步驟

開啟接到BJT電晶體集極(VP = 5 V)的電源供應器

設定示波器,擷取數個週期的輸入訊號與輸出訊號

繪製模擬電路的範例(使用LTspice),如圖19與圖20所示。

Figure 19. C2 added to increase the ac gain, VIN and VCE.
圖19. 加入C2 以提高交流增益VIN與VCE.
Figure 20. C2 added to increase the ac gain, VIN and VBE.
圖20. 加入C2 以提高交流增益VIN與VBE.

問題

  • 對於共射極放大器電路設定而言,提高RL會對電壓增益產生什麼效應?

想知道答案可參閱學子專區部落格