基于ADALM2000實(shí)現(xiàn)共集電極放大電路

大連理工大學(xué)城市學(xué)院 劉永輝 付文博 付宜帆 于海霞

模擬電路的學(xué)習(xí)離不開(kāi)理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，而實(shí)驗(yàn)普遍需要借助實(shí)驗(yàn)室中示波器，信號(hào)發(fā)生器，穩(wěn)壓源等基礎(chǔ)設(shè)備來(lái)完成。ADALM2000在一個(gè)手掌大小的盒子中包含了實(shí)驗(yàn)所需要的設(shè)備功能，因此ADALM2000在學(xué)習(xí)電路方面有很大的便利。

本文基于ADALM2000，利用SCOPY設(shè)計(jì)了共集電極電路。共集電極放大電路是在模擬電子領(lǐng)域中的一個(gè)基本放大電路，共集電極放大電路也稱射極放大電路，有三個(gè)特點(diǎn)：（1）放大倍數(shù)小于1但接近于1；（2）輸入電阻大（幾十到一百多千歐）；（3）輸出電阻?。◣资綆装贇W姆）。

ADALM2000(M2K)主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的USB供電數(shù)據(jù)采集模塊，相比于ADALM1000(M1K)，其模塊功能有大幅擴(kuò)展和提升。ADALM2000內(nèi)置采樣速率可達(dá)100MSPS的12位模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)高性能便攜的掌上實(shí)驗(yàn)室。它不僅僅是幾個(gè)部分的簡(jiǎn)單組合，要想掌握它的功能，用戶需要學(xué)習(xí)它里面每個(gè)部分的基本。

1 系統(tǒng)框圖

自行設(shè)計(jì)共集電極放大電路，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：共集電極放大電路。

實(shí)驗(yàn)儀器和元件：ADALM2000一個(gè)，數(shù)字萬(wàn)用表一個(gè)，交直流穩(wěn)壓電源一臺(tái)，三極管、電阻、電容若干。

圖1 共集電極放大電路原理圖

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 射極跟隨器靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試

圖1所示是一個(gè)基本的射極跟隨器電路。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是輸入信號(hào)加在基極，輸出信號(hào)取自發(fā)射極。在設(shè)計(jì)輸出端的靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，通常情況下仍按照靜態(tài)最大值和靜態(tài)最小值之間的中間值來(lái)取值。就圖1電路來(lái)說(shuō)，當(dāng)三極管飽和，發(fā)射極靜態(tài)電壓達(dá)到最大值（約等于VCC）；當(dāng)三極管截止時(shí)（發(fā)射極電流iE為零），發(fā)射極靜態(tài)電壓達(dá)到最低值（0伏），因此靜態(tài)工作點(diǎn)VEQ應(yīng)該取兩者之間的中間值，即二分之一VCC。因?yàn)榘l(fā)射極電阻Re和輸出端相聯(lián)，調(diào)節(jié)該電阻將對(duì)輸入和輸出回路都帶來(lái)影響，因此在調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的時(shí)候，最好的方法是調(diào)整基極電阻Rb，當(dāng)需要靜態(tài)電壓VEQ降低或升高時(shí)，則需要將電阻Rb增加或減小。

2.2 放大電路的基本模型

放大器輸入端的特性之所以要用電阻來(lái)做模型，是因?yàn)檫@樣可以有效的分析出在放大器的輸入端能夠得到多大的輸入電壓ui或輸入電流ii。由分壓定理知，當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻Rs較大時(shí)，可以利用射極跟隨器輸入端的阻抗Ri可以做的很大的特點(diǎn)，使輸入端得到較大的輸入電壓ui。放大器輸出端的模型就是戴維南電路模型，根據(jù)最大功率傳輸定理，輸出端的負(fù)載可以得到的最大功率為。圖2所示是在面包板上搭建靜態(tài)工作電路的圖片。

圖2 在面包板上搭建靜態(tài)工作電路

2.3 放大器輸入電阻的測(cè)量方法

對(duì)于任何放大器的輸入端或是任意電路的端口，如果我們需要知道該端口向內(nèi)望進(jìn)去阻抗的大小，可以利用分壓原理的辦法來(lái)測(cè)量計(jì)算。分壓法需要的條件僅僅是一個(gè)信號(hào)源、一個(gè)已知電阻和一臺(tái)測(cè)量電壓的儀表而已。操作中需要測(cè)量的參數(shù)也只有信號(hào)源電壓us和輸入端口的電壓ui。對(duì)于圖3所示的輸入部分，由分壓定理知：

因?yàn)镽s、us、ui均已知或可測(cè)量，由式可得：

放大器的輸入阻抗不可以用歐姆表直接測(cè)量。

圖3 直流穩(wěn)壓電源提供15V電壓

2.4 放大器輸出電阻的測(cè)量方法

在求輸出阻抗Ro時(shí)，我們同樣可用分壓法來(lái)測(cè)量計(jì)算。有所不同的是，電壓源uO是在放大器的內(nèi)部，且它是一個(gè)等效出來(lái)的模型，并不能找到一個(gè)原始的電路與之直接對(duì)應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，我們可以實(shí)施測(cè)量的位置又僅僅局限在輸出端的端口上，由分壓定理可得關(guān)系，因?yàn)镽L、uO、uOL均已知或可測(cè)量，由式可得。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量三極管的β值。

（2）在面包板上按照左邊輸入、右邊輸出、上正下負(fù)，搭出靜態(tài)工作電路。

（3）打開(kāi)直流穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)電壓示數(shù)為15V，該值為集電極對(duì)地電源電壓VCC。

（4）用Scopy軟件打開(kāi)ADALM2000電壓表功能，將ADALM2000下方1+和1-（電壓表CH1通道）分別用導(dǎo)線接入三極管的發(fā)射集（E）與地，測(cè)量靜態(tài)電壓UEQ；調(diào)整偏置電阻Rb阻值，使UEQ等于二分之一VCC，記錄Rb阻值。如圖4所示。

圖4 用Scopy軟件的電壓表功能測(cè)出UEQ

（5）在面包板上搭建出基本共射極電路，如圖5所示。

圖5 在面包板上搭建出基本共射極電路

（6）用Scopy軟件打開(kāi)ADALM2000信號(hào)發(fā)生器功能（Signal Generator），在右邊將會(huì)展開(kāi)四個(gè)子功能：常數(shù)（Constant），波形（Waveform），緩沖（Buffer），數(shù)字（Math）；提供交流電源選擇第二個(gè)子功能—波形（Waveform），將信號(hào)源參數(shù)設(shè)置為：幅度（Amplitude）20mVp-p，頻率（Frequency）1KHZ的正弦波。將ADALM2000下方W用導(dǎo)線接入三極管的基極（B）。點(diǎn)擊RUN，此時(shí)ADALM2000開(kāi)始向電路中輸送Ui。如圖6所示。

圖6 用Scopy軟件打開(kāi)ADALM2000信號(hào)發(fā)生器功能

（7）用Scopy軟件打開(kāi)ADALM200示波器功能，將ADALM2000下方1+和1-（示波器CH2通道）分別用導(dǎo)線接入三極管的發(fā)射極（E）與面包板地線，測(cè)量輸出電壓UEQ，信號(hào)模式選擇交流（AC）。在右側(cè)可調(diào)節(jié)變量里，水平（HORIZONTAL）控制時(shí)間周期，設(shè)置為200us，位置設(shè)置為3.721us；垂直（VERTICAL）控制伏/分區(qū)和位置，分別設(shè)置為100mVolts和0Volts。完成上述操作后點(diǎn)擊RUN產(chǎn)生波形。如圖7所示。

圖7 用Scopy軟件打開(kāi)ADALM200示波器功能

（8）將負(fù)載電阻Rs連接到A、B兩點(diǎn)之間，用示波器記錄輸入電壓ui和輸出電壓uo。利用即可求出輸入阻抗。

（9）將負(fù)載電阻RL連接到Re兩點(diǎn)之間，用示波器記錄輸入電壓ui和輸出電壓uol。利用即可求出輸出阻抗。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果如圖8所示。

圖8 記錄結(jié)果

5 誤差分析

本次實(shí)驗(yàn)由于實(shí)際電阻，電容的值與理論值存在微小誤差，所做出的數(shù)值與理論有微小誤差

結(jié)語(yǔ)：本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行了驗(yàn)證，充分發(fā)揮了ADALM2000的優(yōu)勢(shì)，小巧的盒子里包含了信號(hào)發(fā)生器，示波器，穩(wěn)壓電源，電壓表等功能，大大的簡(jiǎn)化了基礎(chǔ)電子實(shí)驗(yàn)的操作，解決了實(shí)驗(yàn)只局限在實(shí)驗(yàn)室的問(wèn)題。ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊的設(shè)計(jì)考慮到了各種水平、不同背景的學(xué)生和電子愛(ài)好者們，易于上手的設(shè)計(jì)保證了使用者既可以在教師的輔導(dǎo)下學(xué)習(xí)，也可以自學(xué)。小巧的模塊可以助你探索數(shù)十兆赫茲范圍的信號(hào)與系統(tǒng)的世界，也為攻讀科學(xué)、技術(shù)或工程學(xué)位打下基礎(chǔ)，而無(wú)需花費(fèi)巨資購(gòu)買龐大的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝備，有較大的應(yīng)用空間。