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共發射極放大器的頻率響應

發布時間:2020-08-17 來源:Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus 責任編輯:wenwei

【導讀】本次活動的目的是研究使用NPN BJT晶體管的共發射極放大器配置的頻率響應。典型共發射極放大器的原理圖如圖1所示。電容 CB 和 CC 用于將放大器直流偏置點和輸入輸出(交流耦合)隔開。電容CE是交流旁路電容,用于在Q1的發射極建立低頻交流接地。米勒電容CF是一個小電容,用于控制放大器的3 dB高頻響應。
 
共發射極放大器拓撲
 
典型共發射極放大器的原理圖如圖1所示。電容 CB 和 CC 用于將放大器直流偏置點和輸入輸出(交流耦合)隔開。電容CE是交流旁路電容,用于在Q1的發射極建立低頻交流接地。米勒電容CF是一個小電容,用于控制放大器的3 dB高頻響應。
 
共發射極放大器的頻率響應
圖1.共發射極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CF在低頻下的阻抗非常高,因此在此等效電路中CF可忽略。RB是RB1和RB2的并聯等效電阻。
 
共發射極放大器的頻率響應
圖2.低頻等效電路。
 
使用短路時間常數分析方法,低頻的3 dB頻點(ωL) 可通過以下公式計算:
 
共發射極放大器的頻率響應
 
其中
 
共發射極放大器的頻率響應
 
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, CB、CC和CE可使用短路來替代,因為與RS、RL和RE相比,它們的阻抗非常小。
 
共發射極放大器的頻率響應
圖3.高頻等效電路。
 
較高的3 dB頻率(ωH) 可通過以下公式推導:
 
共發射極放大器的頻率響應
 
其中
 
共發射極放大器的頻率響應
 
因此,如果我們假設共發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:
 
共發射極放大器的頻率響應
 
其中:
 
s為復角頻率
 
AV為中頻增益
 
ωL 為低角角頻率
 
ωH為高角角頻率
 
實驗前設置
 
假定CB = CC = CE = 1法拉,CF = CΠ = Cµ = 0,使用2N3904晶體管,設計具有以下規格的共發射極放大器:
 
共發射極放大器的頻率響應
 
峰峰值非削波輸出擺幅>3 V
 
●   顯示您的所有計算、設計步驟和最元件值。
●   使用LTspice®電路仿真器驗證結果。提交表明符合規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CF = 0時高頻的3 dB頻點(fH)。
●   使用仿真的工作點數據確定晶體管的Cπ、Cμ和rb。使用"高頻響應"部分的公式計算fH,并與第3步中獲得的仿真結果進行比較。記住,該公式計算的是角頻率,需要將其轉換為Hz。
●   計算CF的值,使fH = 5 kHz。仿真電路以驗證結果并根據需要調整CF的值。
●   計算CB、CC、CE,使fL = 500 Hz。執行電路仿真以驗證結果,并根據需要調整電容的值。
 
實驗室步驟
 
目標:
 
本實驗活動的目標是通過構建實際電路并測量其頻率響應性能來驗證實驗前設計的相關元件的值。
 
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 RS和ADALM2000的AWG輸出上,AWG輸出具有50 Ω串聯輸出電阻,您需要將該電阻以及外部電阻與輸出串聯。此外,由于設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低AWG更好。使用圖4中所示的類似設置,將提供1/16衰減系數和60 Ω等效源電阻。根據您的可用電阻值,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。
 
共發射極放大器的頻率響應
圖4.使用68 Ω源電阻的信號衰減器。
 
硬件設置
 
共發射極放大器的頻率響應
圖5.共發射極放大器面包板原理圖。
 
在面包板上構建電路。
 
共發射極放大器的頻率響應
圖6.共發射極BJT放大器面包板連接。
 
說明
 
●   根據圖1中的原理圖構建您在實驗前設計的放大器?;趯嶒炃暗脑O計值,使用套件中最接近的標準值。記住,您可以串聯或并聯組合標準值,以得到更接近設計數值的組合值。
 
●   通過測量IC、VE、VC和VB,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,再繼續執行下一步。
 
●   使用Scopy軟件中的網絡分析儀工具獲取50 Hz至20 kHz的放大器頻率響應幅度,并確定3 dB低頻fL和高頻fH。
 
●   在中頻頻率下,測量AV, RIN, 和 ROUT。
 
使用圖5中的LTspice電路仿真提供波形圖示例。
 
共發射極放大器的頻率響應
圖7.CF = 0.047 µF時的LTspice交流掃描圖。
 
共發射極放大器的頻率響應
圖8.CF = 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CF,并使用網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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