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R_L，用于产生合适的标称集电极电流I_C，V_CE电压约为V_P (5 V)的一半。通过可调电阻RPOT与RB来设置晶体管(I_B)的标称偏置工作点，进而设置所需的I_C。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V_BE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(V_P = 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^® 得到的仿真电路波形图示例。

图3.共发射极放大器测试配置，V_IN和V_CE。

图4.共发射极放大器测试配置，V_IN和V_BE。

共发射极放大器的电压增益A可以表示为负载电阻R_L与小信号发射极电阻r_e的比值。晶体管的跨导g_m是集电极电流I_C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/g_m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r_e和集电极负载R_L。因此，由R_L与r_e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电路方案。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(V_BE)。第二个优势是AWG1衰减后输出的交流小信号与基极偏置电路无关，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。

图7.替代方案的共发射极放大器测试配置，V_IN和V_BE。

图8.替代方案的共发射极放大器测试配置V_BE缩放。

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。晶体管电路最常用的一种偏置电路是发射极自偏置电路，它使用一个或多个偏置电阻来设置晶体管I_B、I_C和I_E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(V_P = 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® 得到的仿真电路波形图示例。

图10.自偏置配置面包板连接。

图11.自偏置配置，V_IN和V_CE。

图12.自偏置配置，V_IN和V_BE。

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电路的性能。

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R_E（一个5 kΩ电位计）。调整R_E，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(V_P = 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® 得到的仿真电路波形图示例。

图15.添加了发射极负反馈，V_IN和V_CE。

图16.添加了发射极负反馈，V_IN和V_BE。

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R_E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(V_P = 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® 得到的仿真电路波形图示例。

图18.添加C2之后的面包板连接，用于提高交流增益。

图19.添加C2可提高交流增益V_IN和V_CE。

图20.添加C2可提高交流增益V_IN和V_BE。

问题

► 对于共发射极放大器电路设置，增加R_L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。