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StudentZone— ADALM2000 Activity: Common Emitter Amplifier 作者：ADI 公司 - Doug Mercer，Antoniu Miclaus 目標 本活動的目的是研究BJT的共發射極配置。 背景知識 共發射極放大器是三種基本單級放大器拓撲之一。BJT共發射極放大器一般用作反相電壓放大器。晶體管的基極端為輸入，集電極端為輸出，而發射極為輸入和輸出共用（可連接至參考地端或電源軌），所謂“共射”即由此而來。 材料 ► ADALM2000主動學習模塊 ► 無焊面包板 ► 五個電阻 ► 一個50 kΩ可變電阻、電位計 ► 一個小信號NPN晶體管(2N3904) 指導 圖1所示配置展現了用作共發射極放大器的NPN晶體管。選擇適當的輸出負載電阻RL，用于產生合適的標稱集電極電流IC，VCE電壓約為VP (5 V)的一半。通過可調電阻RPOT與RB來設置晶體管(IB)的標稱偏置工作點，進而設置所需的IC。選擇適當的分壓器R1/R2，以便通過波形發生器W1提供足夠大的輸入激勵衰減。考慮到在晶體管VBE的基極上會出現非常小的信號，這樣做更容易查看發生器W1信號。衰減波形發生器W1信號通過4.7 uF電容交流耦合到晶體管基極，以免干擾直流偏置條件。 
圖1.共發射極放大器測試配置。 硬件設置 波形發生器輸出W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為3 V，偏移為0 V。并將其連接在示波器通道1+上，以顯示發生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量Q1基極和集電極的波形。
圖2.共發射極放大器測試配置面包板連接。 程序步驟 打開連接到BJT晶體管集電極(VP = 5 V)的電源。 配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。 圖3和圖4是使用LTspice® 得到的仿真電路波形圖示例。
圖3.共發射極放大器測試配置，VIN和VCE。
圖4.共發射極放大器測試配置，VIN和VBE。 共發射極放大器的電壓增益A可以表示為負載電阻RL與小信號發射極電阻re的比值。晶體管的跨導gm是集電極電流IC和所謂的熱電壓kT/q的函數，在室溫下其近似值約為25 mV或26 mV。
小信號發射極電阻為1/gm且可視為與發射極串聯。現在，在基極上施加電壓信號，相同的電流（忽略基極電流）會流入re和集電極負載RL。因此，由RL與re的比值可得到增益A。
圖5所示為另一種共發射極放大器測試電路方案。除了兩個小優勢之外，所有屬性基本相同。其中一個優勢是基極電流偏置不再取決于指數基極電壓(VBE)。第二個優勢是AWG1衰減后輸出的交流小信號與基極偏置電路無關，并且無需交流耦合。當把交流小信號接在運算放大器的同相端子時，由于負反饋的作用，它也會出現在晶體管的基極端（反相運算放大器輸入）。
圖5.替代方案的共發射極放大器測試配置。
圖6.替代方案的共發射極放大器測試配置面包板連接。
圖7.替代方案的共發射極放大器測試配置，VIN和VBE。
圖8.替代方案的共發射極放大器測試配置VBE縮放。 提供負反饋 的自偏置配置 目標 本節旨在研究添加負反饋對穩定直流工作點的效果。晶體管電路最常用的一種偏置電路是發射極自偏置電路，它使用一個或多個偏置電阻來設置晶體管IB、IC和IE三個初始直流電流。
圖9.自偏置配置。 硬件設置 波形發生器輸出W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為3 V，偏移為0 V。并將其連接在示波器通道1+上，以顯示發生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量Q1基極和集電極的波形。 程序步驟 打開連接到BJT晶體管集電極(VP = 5 V)的電源。 配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。 圖11和圖12是使用LTspice® 得到的仿真電路波形圖示例。
圖10.自偏置配置面包板連接。
圖11.自偏置配置，VIN和VCE。
圖12.自偏置配置，VIN和VBE。 添加發射極負反饋 目標 本活動的目的是研究添加發射極負反饋的影響。 背景知識 共發射極放大器為放大器提供反相輸出，具有極高增益，而且各晶體管之間的差異很大。此外，由于與溫度和偏置電流密切相關，增益有時無法預測。可以通過在放大器級配置一個小值反饋電阻來改善電路的性能。 附加材料 一個5 kΩ可變電阻、電位計 指導 如圖13所示，斷開Q1發射極的接地連接，插入RE（一個5 kΩ電位計）。調整RE，同時注意觀察晶體管集電極上的輸出信號。
圖13.添加了發射極負反饋。 硬件設置 波形發生器輸出W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為3 V，偏移為0 V。并將其連在接示波器通道1+上，以顯示發生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量Q1基極和集電極的波形。
圖14.添加了發射極負反饋的面包板連接。 程序步驟 打開連接到BJT晶體管集電極(VP = 5 V)的電源。 配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。 圖15和圖16是使用LTspice® 得到的仿真電路波形圖示例。
圖15.添加了發射極負反饋，VIN和VCE。
圖16.添加了發射極負反饋，VIN和VBE。 提高發射極負反饋放大器的交流增益 添加發射極負反饋電阻提高了靜態工作點的穩定性，但降低了放大器增益。可通過在負反饋電阻RE上添加電容C2，在一定程度上恢復了交流信號的較高增益，如圖17所示。
圖17.添加C2可提高交流增益。 硬件設置 波形發生器輸出W1配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為3 V，偏移為0 V。并將其設連接在示波器通道1+上，以顯示發生器輸出的信號W1。示波器通道2 (2+)用于交替測量Q1基極和集電極的波形。 程序步驟 打開連接到BJT晶體管集電極(VP = 5 V)的電源。 配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。 圖19和圖20是使用LTspice® 得到的仿真電路波形圖示例。
圖18.添加C2之后的面包板連接，用于提高交流增益。
圖19.添加C2可提高交流增益VIN和VCE。
圖20.添加C2可提高交流增益VIN和VBE。 問題 ► 對于共發射極放大器電路設置，增加RL會對電壓增益A產生什么影響？ 您可以在學子專區博客上找到問題答案。 作者簡介 Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。 Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab®、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。 |
