分析零增益放大器ADALM2000實(shí)驗(yàn)

作者：Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要考慮某些器件值之間的巨大差異，這一點(diǎn)非常重要。設(shè)計(jì)人員的核心目標(biāo)是，使得這些差異不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，以便設(shè)計(jì)出在所有潛在條件下都滿足規(guī)格的電路。幾乎所有電路都有一個(gè)設(shè)計(jì)共性，即建立穩(wěn)定偏置或工作點(diǎn)電平。這個(gè)看似微小的設(shè)計(jì)部分可能導(dǎo)致產(chǎn)生最具挑戰(zhàn)性且最有趣的電路問題。

許多偏置發(fā)生器主要用于產(chǎn)生電流，以驅(qū)動(dòng)電路的核心。由電源中連接的簡(jiǎn)單電阻和二極管，或者由二極管連接的晶體管生成的電流之間的差異大致與電源電壓的差異成正比。在由此產(chǎn)生的偏置電流中，這種差異通常是不希望出現(xiàn)的。

這里，我們給大家介紹一款電流鏡，我們已在之前的實(shí)驗(yàn)中分析過電流鏡，使其輸出不會(huì)受輸入電流的差異影響。分析零增益放大器的行為可以幫助我們理解這些電路。

材料

● ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

● 無焊面包板

● 一個(gè)2.2 kΩ電阻（或其他類似值）

● 一個(gè)47 Ω電阻

● 一個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904或SSM2212）

說明

在圖1中，我們使晶體管偏置導(dǎo)電，其集電極電壓比基極電壓低 kT/q (相當(dāng)于 IC * 47 Ω) ，且基本上保持恒定，并應(yīng)用來自AWG發(fā)生器的輸入電壓變化。

圖1.零增益放大器。

硬件設(shè)置

面包板連接如圖2所示。波形發(fā)生器W1輸出驅(qū)動(dòng)電阻R1的一端。電阻R2連接在晶體管Q1的基極和集電極之間，電阻R1的另一端也連接至基極。Q1的發(fā)射極接地。

圖2.零增益放大器面包板電路。

程序步驟

波形發(fā)生器1配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏置為1.5 V。連接示波器通道1，以顯示AWG發(fā)生器的輸出W1。示波器通道2 (2+)的單端輸入被用于交替測(cè)量Q1的基集和集電極電壓。

配置示波器以捕獲測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。確保啟用XY功能。

使用示波器的波形圖示例如圖3至圖5所示。

圖3.示波器圖 VBE。

圖4.示波器圖 VCE。

圖5.表格式波形圖示例： VBE 與 VCE的比較

改善VBE乘法器，應(yīng)用零增益概念

許多電路都要求產(chǎn)生大于1 VBE的電壓。這里，我們更詳盡地探討實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的另外三種方法。

VBE * 2版本1：

明顯很簡(jiǎn)單的方法是：?jiǎn)渭儗蓚€(gè)由二極管連接的晶體管串聯(lián)在一起。

材料：

● 一個(gè)1 kΩ電阻

● 兩個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904或SSM2212）

說明：

面包板連接如圖7所示。AWG發(fā)生器的輸出驅(qū)動(dòng)電阻R1的一端和示波器通道2的2+輸入。Q1的發(fā)射極接地。Q1的基極和集電極都連接至Q2的發(fā)射極。Q2的基極和集電極連接至R1的另一端和示波器通道2的2–輸入，以及示波器通道1的1+輸入。

圖6.VBE電路。

硬件設(shè)置：

波形發(fā)生器配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏置為1.5 V。兩個(gè)示波器通道均可設(shè)置為每格200 mV。

步驟：

配置示波器以捕獲測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。確保啟用XY功能。

圖7.VBE面包板電路。

對(duì)于使用示波器的波形圖示例，請(qǐng)參見圖8。

圖8.示波器電壓與電流。

VBE * 2版本2：

第二種方法是使用兩個(gè)電阻作為分壓器。由此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出，其值為VBE的小數(shù)與Q1的VBE之和。

材料：

● 一個(gè)1 kΩ電阻

● 兩個(gè)10 kΩ電阻

● 一個(gè)5 kΩ可變電阻（如果可行，500 Ω電位器更好）

● 一個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904或SSM2212）

說明：

面包板連接如圖10所示。波形發(fā)生器的輸出驅(qū)動(dòng)電阻R1的一端和示波器通道2的2+輸入。Q1的發(fā)射極接地。電阻R3連接在Q1的基極和地之間。電阻R2的一端連接至R1的另一端、示波器通道2的2–輸入，以及電位器R4 2–的一端和弧刷。R2的另一端連接到Q1的基極。Q2的集電極連接至R4剩余的一端，以及示波器通道1的1+輸入。

圖9.VBE乘法器電路版本2。

硬件設(shè)置：

波形發(fā)生器配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏置為1.5 V。兩個(gè)示波器通道均可設(shè)置為每格200 mV。

步驟：

先將可變電阻R4設(shè)置為最低值（接近0 Ω）。對(duì)比版本1，觀察此配置的電壓與電流特性。在晶體管開啟之前，兩個(gè)10 kΩ電阻中會(huì)有少量額外電流流過。1 mA時(shí)的電壓會(huì)稍高一些，且曲線斜率較為平緩。

配置示波器以捕獲測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。確保啟用XY功能。

圖10.VBE乘法器面包板電路。

使用示波器的波形圖示例如圖11和圖12所示。

圖11.示波器圖——R4設(shè)置至0 Ω。

我們現(xiàn)在來應(yīng)用零增益放大器概念?，F(xiàn)在，調(diào)節(jié)R4并觀察曲線斜率的變化。R4的值為多少時(shí)，曲線近乎垂直？為何該值是實(shí)現(xiàn)零增益的正確值？

圖12.示波器圖——R4設(shè)置至近100 Ω。

VBE * 2版本3：

在版本2的基礎(chǔ)上做了一點(diǎn)小調(diào)整。

材料：

● 一個(gè)1 kΩ電阻

● 一個(gè)10 kΩ電阻

● 一個(gè)5 kΩ可變電阻（如果可行，500 Ω電位器更好）

● 兩個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904或SSM2212）

圖13.VBE乘法器版本3。

圖14.VBE乘法器面包板電路版本3。

說明：

面包板連接如圖14所示。版本3是從版本2演變而來：移除了10 kΩ電阻R2，用由二極管連接的NPN Q2替代，具體如圖所示。

硬件設(shè)置：

波形發(fā)生器配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏置為1.5 V。兩個(gè)示波器通道均可設(shè)置為每格200 mV。

步驟：

和之前一樣，先將可變電阻R4設(shè)置為最低值（接近0 Ω）。對(duì)比版本2，觀察此配置的電壓與電流特性。在Q1開啟之后，直至Q1和Q2都開啟之前，10 kΩ電阻中會(huì)有少量額外電流流過。1 mA時(shí)的電壓會(huì)稍低一些，且曲線斜率更陡峭—更接近版本1。

配置示波器以捕獲測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。確保啟用XY功能。

使用示波器的波形圖示例如圖15和圖16所示。

圖15.示波器圖——R4設(shè)置至0 Ω。

我們?cè)俅蝸響?yīng)用零增益放大器概念?，F(xiàn)在，調(diào)節(jié)R4并觀察曲線斜率的變化。R4的值為多少時(shí)，曲線近乎垂直？為何該值是實(shí)現(xiàn)零增益的正確值？

圖16.示波器圖——R4設(shè)置至40 Ω。

問題：

如何調(diào)整版本2（圖9）中R2和R4的值，以獲取穩(wěn)定的1.0 V輸出？
編輯：hfy