ADALM2000實驗：零增益放大器
發布時間：2020-12-23 來源：Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus 責任編輯：wenwei
【導讀】在(zai)設(she)計(ji)電(dian)路(lu)時(shi)，需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)某(mou)些(xie)器(qi)件(jian)值(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)巨(ju)大(da)差(cha)異(yi)，這(zhe)一(yi)點(dian)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)的(de)核(he)心(xin)目(mu)標(biao)是(shi)，使(shi)得(de)這(zhe)些(xie)差(cha)異(yi)不(bu)會(hui)對(dui)電(dian)路(lu)產(chan)生(sheng)影(ying)響(xiang)，以(yi)便(bian)設(she)計(ji)出(chu)在(zai)所(suo)有(you)潛(qian)在(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)都(dou)滿(man)足(zu)規(gui)格(ge)的(de)電(dian)路(lu)。幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)電(dian)路(lu)都(dou)有(you)一(yi)個(ge)設(she)計(ji)共(gong)性(xing)，即(ji)建(jian)立(li)穩(wen)定(ding)偏(pian)置(zhi)或(huo)工(gong)作(zuo)點(dian)電(dian)平(ping)。這(zhe)個(ge)看(kan)似(si)微(wei)小(xiao)的(de)設(she)計(ji)部(bu)分(fen)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)產(chan)生(sheng)最(zui)具(ju)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)且(qie)最(zui)有(you)趣(qu)的(de)電(dian)路(lu)問(wen)題(ti)。
許xu多duo偏pian置zhi發fa生sheng器qi主zhu要yao用yong於yu產chan生sheng電dian流liu，以yi驅qu動dong電dian路lu的de核he心xin。由you電dian源yuan中zhong連lian接jie的de簡jian單dan電dian阻zu和he二er極ji管guan，或huo者zhe由you二er極ji管guan連lian接jie的de晶jing體ti管guan生sheng成cheng的de電dian流liu之zhi間jian的de差cha異yi大da致zhi與yu電dian源yuan電dian壓ya的de差cha異yi成cheng正zheng比bi。在zai由you此ci產chan生sheng的de偏pian置zhi電dian流liu中zhong，這zhe種zhong差cha異yi通tong常chang是shi不bu希xi望wang出chu現xian的de。
這(zhe)裏(li)，我(wo)們(men)給(gei)大(da)家(jia)介(jie)紹(shao)一(yi)款(kuan)電(dian)流(liu)鏡(jing)，我(wo)們(men)已(yi)在(zai)之(zhi)前(qian)的(de)實(shi)驗(yan)中(zhong)分(fen)析(xi)過(guo)電(dian)流(liu)鏡(jing)，使(shi)其(qi)輸(shu)出(chu)不(bu)會(hui)受(shou)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)的(de)差(cha)異(yi)影(ying)響(xiang)。分(fen)析(xi)零(ling)增(zeng)益(yi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)行(xing)為(wei)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)我(wo)們(men)理(li)解(jie)這(zhe)些(xie)電(dian)路(lu)。
材料
● ADALM2000 主動學習模塊
● 無焊麵包板
● 一個2.2 kΩ電阻（或其他類似值）
● 一個47 Ω電阻
● 一個小信號NPN晶體管（2N3904或SSM2212）
說明
在圖1中，我們使晶體管偏置導電，其集電極電壓比基極電壓低 kT/q (相當於 IC * 47 Ω) ，且基本上保持恒定，並應用來自AWG發生器的輸入電壓變化。
圖1.零增益放大器。
硬件設置
麵包板連接如圖2所示。波形發生器W1輸出驅動電阻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的發射極接地。
圖2.零增益放大器麵包板電路。
程序步驟
波形發生器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發生器的輸出W1。示波器通道2 (2+)的單端輸入被用於交替測量Q1的基集和集電極電壓。
配置示波器以捕獲測量的兩個信號的多個周期。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，應用零增益概念
許多電路都要求產生大於1 VBE的電壓。這裏，我們更詳盡地探討實現這一點的另外三種方法。
VBE * 2版本1：
明顯很簡單的方法是：單純將兩個由二極管連接的晶體管串聯在一起。
材料：
● 一個1 kΩ電阻
● 兩個小信號NPN晶體管（2N3904或SSM2212）
說明：
麵包板連接如圖7所示。AWG發生器的輸出驅動電阻R1的一端和示波器通道2的2+輸入。Q1的發射極接地。Q1的基極和集電極都連接至Q2的發射極。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。
硬件設置：
波形發生器配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏置為1.5 V。兩個示波器通道均可設置為每格200 mV。
步驟：
配置示波器以捕獲測量的兩個信號的多個周期。確保啟用XY功能。
圖7.VBE麵包板電路。
對於使用示波器的波形圖示例，請參見圖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電阻作為分壓器。由此會產生一個輸出，其值為VBE的小數與Q1的VBE之和。
材料：
● 一個1 kΩ電阻
● 兩個10 kΩ電阻
● 一個5 kΩ可變電阻（如果可行，500 Ω電位器更好）
● 一個小信號NPN晶體管（2N3904或SSM2212）
說明：
麵包板連接如圖10所示。波形發生器的輸出驅動電阻R1的一端和示波器通道2的2+輸入。Q1的發射極接地。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剩餘的一端，以及示波器通道1的1+輸入。
圖9.VBE乘法器電路版本2。
硬件設置：
波形發生器配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏置為1.5 V。兩個示波器通道均可設置為每格200 mV。
步驟：
先將可變電阻R4設置為最低值（接近0 Ω）。對比版本1，觀察此配置的電壓與電流特性。在晶體管開啟之前，兩個10 kΩ電阻中會有少量額外電流流過。1 mA時的電壓會稍高一些，且曲線斜率較為平緩。
配置示波器以捕獲測量的兩個信號的多個周期。確保啟用XY功能。
圖10.VBE乘法器麵包板電路。
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設置至0 Ω。
我們現在來應用零增益放大器概念。現在，調節R4並觀察曲線斜率的變化。R4的值為多少時，曲線近乎垂直？為何該值是實現零增益的正確值？
圖12.示波器圖——R4設置至近100 Ω。
VBE * 2版本3：
在版本2的基礎上做了一點小調整。
材料：
● 一個1 kΩ電阻
● 一個10 kΩ電阻
● 一個5 kΩ可變電阻（如果可行，500 Ω電位器更好）
● 兩個小信號NPN晶體管（2N3904或SSM2212）
圖13.VBE乘法器版本3。
圖14.VBE乘法器麵包板電路版本3。
說明：
麵包板連接如圖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。
硬件設置：
波形發生器配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為3 V，偏置為1.5 V。兩個示波器通道均可設置為每格200 mV。
步驟：
和之前一樣，先將可變電阻R4設置為最低值（接近0 Ω）。對比版本2，觀察此配置的電壓與電流特性。在Q1開啟之後，直至Q1和Q2都開啟之前，10 kΩ電阻中會有少量額外電流流過。1 mA時的電壓會稍低一些，且曲線斜率更陡峭—更接近版本1。
配置示波器以捕獲測量的兩個信號的多個周期。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設置至0 Ω。
我們再次來應用零增益放大器概念。現在，調節R4並觀察曲線斜率的變化。R4的值為多少時，曲線近乎垂直？為何該值是實現零增益的正確值？
圖16.示波器圖——R4設置至40 Ω。
問題：
如何調整版本2（圖9）中R2和R4的值，以獲取穩定的1.0 V輸出？
您可以在 學子專區博客上找到問題答案。
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