学子专区—ADALM2000实验：共发射极放大器

作者：ADI 公司 - Doug Mercer，Antoniu Miclaus

目标

本活动的目的是研究BJT的共发射极配置。

背景知识

共发射极放大器是三种基本单级放大器拓扑之一。BJT共发射极放大器一般用作反相电压放大器。晶体管的基极端为输入，集电极端为输出，而发射极为输入和输出共用（可连接至参考地端或电源轨），所谓“共射”即由此而来。

材料

• ADALM2000主动学习模块
• 无焊面包板
• 五个电阻
• 一个50 kΩ可变电阻、电位计
• 一个小信号NPN晶体管（2N3904）

指导

图1所示配置展现了用作共发射极放大器的NPN晶体管。选择适当的输出负载电阻RL，用于产生合适的标称集电极电流IC，VCE电压约为VP （5 V）的一半。通过可调电阻RPOT与RB来设置晶体管（IB）的标称偏置工作点，进而设置所需的IC。选择适当的分压器R1/R2，以便通过波形发生器W1提供足够大的输入激励衰减。考虑到在晶体管VBE的基极上会出现非常小的信号，这样做更容易查看发生器W1信号。衰减波形发生器W1信号通过4.7 uF电容交流耦合到晶体管基极，以免干扰直流偏置条件。

图1.共发射极放大器测试配置。

硬件设置

波形发生器输出W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为3 V，偏移为0 V。并将其连接在示波器通道1+上，以显示发生器输出的信号W1。示波器通道2 （2+）用于交替测量Q1基极和集电极的波形。

图2.共发射极放大器测试配置面包板连接。

程序步骤

打开连接到BJT晶体管集电极（VP = 5 V）的电源。

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。

图3和图4是使用LTspice® 得到的仿真威廉希尔官方网站 波形图示例。

共发射极放大器的电压增益A可以表示为负载电阻RL与小信号发射极电阻re的比值。晶体管的跨导gm是集电极电流IC和所谓的热电压kT/q的函数，在室温下其近似值约为25 mV或26 mV。

小信号发射极电阻为1/gm且可视为与发射极串联。现在，在基极上施加电压信号，相同的电流（忽略基极电流）会流入re和集电极负载RL。因此，由RL与re的比值可得到增益A。

图5所示为另一种共发射极放大器测试威廉希尔官方网站 方案。除了两个小优势之外，所有属性基本相同。其中一个优势是基极电流偏置不再取决于指数基极电压（VBE）。第二个优势是AWG1衰减后输出的交流小信号与基极偏置威廉希尔官方网站 无关，并且无需交流耦合。当把交流小信号接在运算放大器的同相端子时，由于负反馈的作用，它也会出现在晶体管的基极端（反相运算放大器输入）。

图5.替代方案的共发射极放大器测试配置。

图6.替代方案的共发射极放大器测试配置面包板连接。

提供负反馈 的自偏置配置

目标

本节旨在研究添加负反馈对稳定直流工作点的效果。晶体管威廉希尔官方网站 最常用的一种偏置威廉希尔官方网站 是发射极自偏置威廉希尔官方网站 ，它使用一个或多个偏置电阻来设置晶体管IB、IC和IE三个初始直流电流。

图9.自偏置配置。

硬件设置

波形发生器输出W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为3 V，偏移为0 V。并将其连接在示波器通道1+上，以显示发生器输出的信号W1。示波器通道2 （2+）用于交替测量Q1基极和集电极的波形。

程序步骤

打开连接到BJT晶体管集电极（VP = 5 V）的电源。

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。

图11和图12是使用LTspice® 得到的仿真威廉希尔官方网站 波形图示例。

图10.自偏置配置面包板连接。

添加发射极负反馈

目标

本活动的目的是研究添加发射极负反馈的影响。

背景知识

共发射极放大器为放大器提供反相输出，具有极高增益，而且各晶体管之间的差异很大。此外，由于与温度和偏置电流密切相关，增益有时无法预测。可以通过在放大器级配置一个小值反馈电阻来改善威廉希尔官方网站 的性能。

附加材料

一个5 kΩ可变电阻、电位计

指导

如图13所示，断开Q1发射极的接地连接，插入RE（一个5 kΩ电位计）。调整RE，同时注意观察晶体管集电极上的输出信号。

图13.添加了发射极负反馈。

硬件设置

波形发生器输出W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为3 V，偏移为0 V。并将其连在接示波器通道1+上，以显示发生器输出的信号W1。示波器通道2 （2+）用于交替测量Q1基极和集电极的波形。

图14.添加了发射极负反馈的面包板连接。

程序步骤

打开连接到BJT晶体管集电极（VP = 5 V）的电源。

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。

图15和图16是使用LTspice® 得到的仿真威廉希尔官方网站 波形图示例。

提高发射极负反馈放大器的交流增益

添加发射极负反馈电阻提高了静态工作点的稳定性，但降低了放大器增益。可通过在负反馈电阻RE上添加电容C2，在一定程度上恢复了交流信号的较高增益，如图17所示。

图17.添加C2可提高交流增益。

硬件设置

波形发生器输出W1配置为1 kHz正弦波，峰峰值幅度为3 V，偏移为0 V。并将其设连接在示波器通道1+上，以显示发生器输出的信号W1。示波器通道2 （2+）用于交替测量Q1基极和集电极的波形。

程序步骤

打开连接到BJT晶体管集电极（VP = 5 V）的电源。

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。

图19和图20是使用LTspice® 得到的仿真威廉希尔官方网站 波形图示例。

图18.添加C2之后的面包板连接，用于提高交流增益。

对于共发射极放大器威廉希尔官方网站 设置，增加RL会对电压增益A产生什么影响？

您可以在学子专区博客上找到问题答案。

作者简介

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院（RPI），获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生，拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。