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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計步驟和最元件值。

●   使用LTspice®電路仿真器驗證結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(gòu)建實際電路并測量其頻率響應性能來驗證實驗前設(shè)計的相關(guān)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(shè)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(shè)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(shè)置

 

圖5.共發(fā)射極放大器面包板原理圖。

 

在面包板上構(gòu)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(gòu)建您在實驗前設(shè)計的放大器。基于實驗前的設(shè)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(shè)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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