共發(fā)射極放大器拓撲

 

典型共發(fā)射極放大器的原理圖如圖1所示。電容 C_B 和 C_C 用于將放大器直流偏置點和輸入輸出（交流耦合）隔開。電容C_E是交流旁路電容，用于在Q1的發(fā)射極建立低頻交流接地。米勒電容C_F是一個小電容，用于控制放大器的3 dB高頻響應。

 

圖1.共發(fā)射極BJT放大器。

 

低頻響應

 

圖2顯示放大器的低頻、小信號等效電路。請注意，假定C_F在低頻下的阻抗非常高，因此在此等效電路中C_F可忽略。R_B是R_B1和R_B2的并聯(lián)等效電阻。

 

圖2.低頻等效電路。

 

使用短路時間常數(shù)分析方法，低頻的3 dB頻點(ω_L) 可通過以下公式計算：

 

 

其中

 

 

高頻響應

 

圖3顯示了放大器的高頻、小信號等效電路。在高頻下， C_B、C_C和C_E可使用短路來替代，因為與R_S、R_L和R_E相比，它們的阻抗非常小。

 

圖3.高頻等效電路。

 

較高的3 dB頻率(ω_H) 可通過以下公式推導：

 

 

其中

 

 

因此，如果我們假設共發(fā)射極放大器可以通過這些主要的低頻和高頻極點來適當表征，那么該放大器的頻率響應的近似值可通過以下公式計算：

 

 

其中：

 

s為復角頻率

 

A_V為中頻增益

 

ω_L 為低角角頻率

 

ω_H為高角角頻率

 

實驗前設置

 

假定C_B = C_C = C_E = 1法拉，C_F = C_Π = C_µ = 0，使用2N3904晶體管，設計具有以下規(guī)格的共發(fā)射極放大器：

 

 

峰峰值非削波輸出擺幅>3 V

 

●   顯示您的所有計算、設計步驟和最元件值。

●   使用LTspice®電路仿真器驗證結果。提交表明符合規(guī)格的所有必要仿真圖。同時提供具有直流偏置點注釋的電路原理圖。

●   使用LTspice，計算C_F = 0時高頻的3 dB頻點(f_H)。

●   使用仿真的工作點數(shù)據(jù)確定晶體管的C_π、C_μ和r_b。使用"高頻響應"部分的公式計算f_H，并與第3步中獲得的仿真結果進行比較。記住，該公式計算的是角頻率，需要將其轉(zhuǎn)換為Hz。

●   計算C_F的值，使f_H = 5 kHz。仿真電路以驗證結果并根據(jù)需要調(diào)整C_F的值。

●   計算C_B、C_C、C_E，使f_L = 500 Hz。執(zhí)行電路仿真以驗證結果，并根據(jù)需要調(diào)整電容的值。

 

實驗室步驟

 

目標：

 

本實驗活動的目標是通過構建實際電路并測量其頻率響應性能來驗證實驗前設計的相關元件的值。

 

Materials:

 

●   ADALM2000 主動學習模塊

●   無焊面包板

●   ADALP2000模擬套件中的6個不同電阻值的電阻

●   ADALP2000模擬套件中4個不同電容值的電容

●   一個小信號NPN晶體管(2N3904)

 

請注意，在源電阻 R_S和ADALM2000的AWG輸出上，AWG輸出具有50 Ω串聯(lián)輸出電阻，您需要將該電阻以及外部電阻與輸出串聯(lián)。此外，由于設計具有相對較高的增益，您還需要具有約100 mV峰峰值小振幅的輸入信號。從噪聲角度看，在AWG輸出和電路輸入之間插入電阻分壓器來衰減信號比在軟件中調(diào)低AWG更好。使用圖4中所示的類似設置，將提供1/16衰減系數(shù)和60 Ω等效源電阻。根據(jù)您的可用電阻值，也可組合其他電阻值——在我們的示例中，將使用標準電阻值68 Ω。

 

圖4.使用68 Ω源電阻的信號衰減器。

 

硬件設置

 

圖5.共發(fā)射極放大器面包板原理圖。

 

在面包板上構建電路。

 

圖6.共發(fā)射極BJT放大器面包板連接。

 

說明

 

●   根據(jù)圖1中的原理圖構建您在實驗前設計的放大器。基于實驗前的設計值，使用套件中最接近的標準值。記住，您可以串聯(lián)或并聯(lián)組合標準值，以得到更接近設計數(shù)值的組合值。

 

●   通過測量I_C、V_E、V_C和V_B，檢查直流工作點。如果任何直流偏置值與通過仿真獲取的值有顯著差異，則修改電路以獲得所需的直流偏置，再繼續(xù)執(zhí)行下一步。

 

●   使用Scopy軟件中的網(wǎng)絡分析儀工具獲取50 Hz至20 kHz的放大器頻率響應幅度，并確定3 dB低頻f_L和高頻f_H。

 

●   在中頻頻率下，測量A_V, R_IN, 和 R_OUT。

 

使用圖5中的LTspice電路仿真提供波形圖示例。

 

圖7.C_F = 0.047 µF時的LTspice交流掃描圖。

 

圖8.C_F = 0.047 µF且頻率 = 1.5 kHz時的LTspice圖。

 

問題：

 

改用一個容值更小(0.01 µF)的電容C_F，并使用網(wǎng)絡分析儀工具或交流掃描仿真重新測量響應曲線。觀察新電容值對響應的影響，并解釋說明。

 

 

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