目標

 

本活動(dòng)的目的是研究BJT的共發(fā)射極配置。

 

背景知識

 

共發(fā)射極放大器是三種基本單級放大器拓撲之一。BJT共發(fā)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(fā)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(lái)。

 

材料

 

●   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊

●   無(wú)焊面包板

●   五個(gè)電阻

●   一個(gè)50 kΩ可變電阻、電位計

●   一個(gè)小信號NPN晶體管(2N3904)

 

指導

 

圖1所示配置展現了用作共發(fā)射極放大器的NPN晶體管。選擇適當的輸出負載電阻R_L ，用于產(chǎn)生合適的標稱(chēng)集電極電流I_C，V_CE電壓約為V_P (5 V)的一半。通過(guò)可調電阻RPOT與RB來(lái)設置晶體管(IB)的標稱(chēng)偏置工作點(diǎn)，進(jìn)而設置所需的IC。選擇適當的分壓器R1/R2，以便通過(guò)波形發(fā)生器W1提供足夠大的輸入激勵衰減?？紤]到在晶體管VBE的基極上會(huì )出現非常小的信號，這樣做更容易查看發(fā)生器W1信號。衰減波形發(fā)生器W1信號通過(guò)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(fā)射極放大器測試配置。

 

硬件設置

 

波形發(fā)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(fā)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(fā)射極放大器測試配置面包板連接。

 

程序步驟

 

打開(kāi)連接到BJT晶體管集電極(V_P = 5 V)的電源。

 

配置示波器以捕獲多個(gè)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(fā)射極放大器測試配置，V_IN 和V_CE。

 

圖4.共發(fā)射極放大器測試配置，V_IN 和V_BE。

 

共發(fā)射極放大器的電壓增益A可以表示為負載電阻R_L與小信號發(fā)射極電阻r_e的比值。晶體管的跨導g_m是集電極電流I_c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(fā)射極電阻為1/gm且可視為與發(fā)射極串聯(lián)?，F在，在基極上施加電壓信號，相同的電流（忽略基極電流）會(huì )流入r_e和集電極負載R_L。因此，由R_L與r_e的比值可得到增益A。

 

 

圖5所示為另一種共發(fā)射極放大器測試電路方案。除了兩個(gè)小優(yōu)勢之外，所有屬性基本相同。其中一個(gè)優(yōu)勢是基極電流偏置不再取決于指數基極電壓(V_BE)。第二個(gè)優(yōu)勢是AWG1衰減后輸出的交流小信號與基極偏置電路無(wú)關(guān)，并且無(wú)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(shí)，由于負反饋的作用，它也會(huì )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(fā)射極放大器測試配置。

 

圖6.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置面包板連接。

 

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(diǎn)的效果。晶體管電路最常用的一種偏置電路是發(fā)射極自偏置電路，它使用一個(gè)或多個(gè)偏置電阻來(lái)設置晶體管I_B, I_C, 和I_E三個(gè)初始直流電流。

 

圖7.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置，V_IN 和 V_BE。

 

圖8.替代方案的共發(fā)射極放大器測試配置V_BE縮放。

 

圖9.自偏置配置。

 

硬件設置

 

波形發(fā)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(fā)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10.自偏置配置面包板連接

 

程序步驟

 

打開(kāi)連接到BJT晶體管集電極(V_P = 5 V)的電源。

 

配置示波器以捕獲多個(gè)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11.自偏置配置，V_IN 和V_CE。

 

圖12.自偏置配置，VI_IN 和 V_BE。

 

目標

 

共發(fā)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(guān)，增益有時(shí)無(wú)法預測?？梢酝ㄟ^(guò)在放大器級配置一個(gè)小值反饋電阻來(lái)改善電路的性能。

 

附加材料

 

一個(gè)5 kΩ可變電阻、電位計

 

指導

 

如圖13所示，斷開(kāi)Q1發(fā)射極的接地連接，插入R_E（一個(gè)5 kΩ電位計）。調整R_E ，同時(shí)注意觀(guān)察晶體管集電極上的輸出信號。

 

圖13.添加了發(fā)射極負反饋。

 

添加發(fā)射極負反饋

 

目標

 

本活動(dòng)的目的是研究添加發(fā)射極負反饋的影響。

 

硬件設置

 

波形發(fā)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(fā)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(fā)射極負反饋的面包板連接。

 

程序步驟

 

打開(kāi)連接到BJT晶體管集電極(V_P = 5 V) 的電源。

 

配置示波器以捕獲多個(gè)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(fā)射極負反饋，V_IN 和 V_CE。

 

圖16.添加了發(fā)射極負反饋，V_IN 和 V_BE。

 

提高發(fā)射極負反饋放大器的交流增益

 

添加發(fā)射極負反饋電阻提高了靜態(tài)工作點(diǎn)的穩定性，但降低了放大器增益?？赏ㄟ^(guò)在負反饋電阻R_E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(fā)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(fā)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18.添加C2之后的面包板連接，用于提高交流增益。

 

程序步驟

 

打開(kāi)連接到BJT晶體管集電極(V_P = 5 V) 的電源。

 

配置示波器以捕獲多個(gè)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19.添加C2可提高交流增益V_IN 和 V_CE。

 

圖20.添加C2可提高交流增益V_IN 和 V_BE。

 

問(wèn)題

 

對于共發(fā)射極放大器電路設置，增加RL會(huì )對電壓增益A產(chǎn)生什么影響？

 

 

推薦閱讀：