ADALM2000實驗:放大器輸出級

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


目標

本次實驗目的在研究簡單推挽放大器的輸出級(B類和AB類)。

背景資訊

輸出級的作用是提供功率增益。它應該具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。該級一個顯而易見的選擇就是發射極追隨器。但是,為了同時提供拉電流和灌電流能力,需要兩個互補追隨器:一個NPN型用於拉電流,一個PNP型用於灌電流。結果就是所謂推挽配置,圖1顯示了一個簡單的例子。R1和R2用於感測Q1和Q2的集電極電流,以及在輸出超載的情況下限制這些電流。

材料

  • ADALM2000 主動學習模組
  • 無焊麵包板
  • 跳接線
  • 兩個100 Ω電阻
  • 一個2.2 kΩ電阻
  • 兩個10 kΩ電阻
  • 兩個小訊號NPN電晶體(最好是具有匹配VBE的SSM2212)
  • 兩個小訊號PNP電晶體(最好是具有匹配VBE的SSM2220)

說明

開始之前,請確保關閉ADALM2000上的電源。電路和實驗室硬體的連接如圖1所示。示波器輸入1應連接到Q1和Q2基極的接合處。示波器輸入2應連接到Q1和Q2發射極的接合處。

Figure 1. A push-pull output stage.
圖1.推挽輸出級

硬體設定

示波器的通道1應連接為顯示第一產生器的輸出,兩個通道(1和2)均應設定為以每格1 V顯示輸出。麵包板連接如圖2所示。

程式步驟

波形產生器W1配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度約為6 V,偏移為0。將正電源(Vp)設定為+5 V,將負電源(Vn)設定為-5 V。使用示波器通道1觀察W1的輸入,使用示波器通道2觀察放大器在RL處的輸出。圖3為Scopy波形圖示例。

Figure 2. A push-pull output stage breadboard circuit.
圖2.推挽輸出級麵包板電路
Figure 3. Push-pull output stage waveforms.
圖3.推挽輸出級波形

接下來施加電源並調整波形產生器,使W1為100 Hz三角波,其偏移為0 V,峰對峰值幅度為3 V。在x-y模式下使用示波器觀察電路的電壓傳輸曲線。圖4為Scopy XY波形圖示例。

Figure 4. Voltage-transfer curve.
圖4.電壓傳輸曲線

減少輸出失真

在圖1所示的基本推挽級中,過零處的大量失真是死區——此時NPN和PNP發射極追隨器均關閉——造成的結果。如果用兩個VBE壓降預偏置BJT,則波形在過零處的死區大幅減少,如圖5所示。這裡,預偏置功能由二極體連接的NPN Q1和PNP Q3提供。電阻R1和R2提供偏置電流,並設定流入輸出元件Q2和Q4中的空閒電流。

說明

在電源關閉的情況下,組裝圖5所示電路,引線應盡可能短且整潔。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或CA3046,往往比單一元件匹配得更好。

Figure 5. The push-pull output stage with zero-crossing distortion elimination.
圖5.具有過零失真消除功能的推挽輸出級

檢視圖5中由Q1、Q2、Q3和Q4的基極發射極電壓形成的迴路,我們知道迴路周圍的壓降之和必須為零。因此,如果Q1與Q2相同,並且Q3與Q4相同,則僅當Q1中的電流與Q2中的電流相同,並且Q3中的電流與Q4中的電流相同時,迴路周圍的電壓才會為零。當輸出為0 V——也就是說RL中沒有電流,輸入也必然為0 V。

硬體設定

示波器的通道1應連接第一路訊號產生器的輸出,兩個通道(1和2)均應設定為以每格1 V顯示輸出。麵包板連接如圖6所示。

Figure 6. The push-pull output stage with a zero-crossing distortion elimination breadboard circuit.
圖6.具有過零失真消除功能的推挽輸出級麵包板電路

程式步驟

波形產生器W1配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度約為6.0 V,偏移為0。使用示波器通道1觀察W1的輸入,使用示波器通道2觀察放大器在RL處的輸出。

Figure 7. The push-pull output stage with zero-crossing distortion elimination waveforms.
圖7.具有過零失真消除功能的推挽輸出級波形

另一種配置

記住由Q1、Q2、Q3和Q4的基極發射極電壓形成的迴路,我們還知道迴路周圍壓降的順序可以互換。因此,如果互換NPN Q1和PNP Q3的VBE值,我們將得到圖8所示的配置。有些人可能意識到,Q3和Q2的組合就是學子專區文章「 ADALM2000實驗:發射極追隨器(BJT」中討論的低失調追隨器。電路利用PNP發射極追隨器的VBE向上偏移來部分抵消NPN發射極追隨器的VBE向下偏移。電晶體Q1和Q4分別與Q3和Q2互補。

Figure 8. Emitter follower zero-crossing distortion elimination.
圖8.發射極追隨器過零失真消除

硬體設定

示波器的通道1應連接第一路訊號產生器的輸出,兩個示波器通道(1和2)均應設定為以每格1 V顯示輸出。麵包板連接如圖9所示。

程式步驟

波形產生器W1配置為1 kHz正弦波,峰對峰值幅度約為6 V,偏移為0。使用示波器通道1觀察W1的輸入,使用示波器通道2觀察放大器在RL處的輸出。

Figure 9. Emitter follower zero-crossing distortion elimination breadboard circuit.
圖9.發射極追隨器過零失真消除麵包板電路
Figure 10. Emitter follower zero-crossing distortion elimination waveforms.
圖10.發射極追隨器過零失真消除波形

問題:

  • 對於圖5中的電路(具有過零失真消除功能的推挽輸出級)和圖8中的電路(發射極追隨器過零失真消除),模擬並繪製輸入/輸出傳輸曲線。這些電路與圖1中的電路相比,結果如何?