基于ADALM2000實現共集電極放大電路

大連理工大學城市學院 劉永輝 付文博 付宜帆 于海霞

模擬電路的學習離不開理論和實驗的結合，而實驗普遍需要借助實驗室中示波器，信號發生器，穩壓源等基礎設備來完成。ADALM2000在一個手掌大小的盒子中包含了實驗所需要的設備功能，因此ADALM2000在學習電路方面有很大的便利。

本文基于ADALM2000，利用SCOPY設計了共集電極電路。共集電極放大電路是在模擬電子領域中的一個基本放大電路，共集電極放大電路也稱射極放大電路，有三個特點：（1）放大倍數小于1但接近于1；（2）輸入電阻大（幾十到一百多千歐）；（3）輸出電阻小（幾十到幾百歐姆）。

ADALM2000(M2K)主動學習模塊是一個經濟實惠的USB供電數據采集模塊，相比于ADALM1000(M1K)，其模塊功能有大幅擴展和提升。ADALM2000內置采樣速率可達100MSPS的12位模-數和數-模轉換器，是一個高性能便攜的掌上實驗室。它不僅僅是幾個部分的簡單組合，要想掌握它的功能，用戶需要學習它里面每個部分的基本。

1 系統框圖

自行設計共集電極放大電路，如圖1所示。

實驗內容：共集電極放大電路。

實驗儀器和元件：ADALM2000一個，數字萬用表一個，交直流穩壓電源一臺，三極管、電阻、電容若干。

圖1 共集電極放大電路原理圖

2 設計原理

2.1 射極跟隨器靜態工作點的調試

圖1所示是一個基本的射極跟隨器電路。它的結構特點是輸入信號加在基極，輸出信號取自發射極。在設計輸出端的靜態工作點時，通常情況下仍按照靜態最大值和靜態最小值之間的中間值來取值。就圖1電路來說，當三極管飽和，發射極靜態電壓達到最大值（約等于VCC）；當三極管截止時（發射極電流iE為零），發射極靜態電壓達到最低值（0伏），因此靜態工作點VEQ應該取兩者之間的中間值，即二分之一VCC。因為發射極電阻Re和輸出端相聯，調節該電阻將對輸入和輸出回路都帶來影響，因此在調整靜態工作點的時候，最好的方法是調整基極電阻Rb，當需要靜態電壓VEQ降低或升高時，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做模型，是因為這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，當信號源的內阻Rs較大時，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，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，根據最大功率傳輸定理，輸出端的負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工作電路的圖片。

圖2 在面包板上搭建靜態工作電路

2.3 放大器輸入電阻的測量方法

對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望進去阻抗的大小，可以利用分壓原理的辦法來測量計算。分壓法需要的條件僅僅是一個信號源、一個已知電阻和一臺測量電壓的儀表而已。操作中需要測量的參數也只有信號源電壓us和輸入端口的電壓ui。對于圖3所示的輸入部分，由分壓定理知：

因為Rs、us、ui均已知或可測量，由式可得：

放大器的輸入阻抗不可以用歐姆表直接測量。

圖3 直流穩壓電源提供15V電壓

2.4 放大器輸出電阻的測量方法

在求輸出阻抗Ro時，我們同樣可用分壓法來測量計算。有所不同的是，電壓源uO是在放大器的內部，且它是一個等效出來的模型，并不能找到一個原始的電路與之直接對應進行測量，我們可以實施測量的位置又僅僅局限在輸出端的端口上，由分壓定理可得關系，因為RL、uO、uOL均已知或可測量，由式可得。

3 實驗步驟

（1）用數字萬用表測量三極管的β值。

（2）在面包板上按照左邊輸入、右邊輸出、上正下負，搭出靜態工作電路。

（3）打開直流穩壓電源，調節電壓示數為15V，該值為集電極對地電源電壓VCC。

（4）用Scopy軟件打開ADALM2000電壓表功能，將ADALM2000下方1+和1-（電壓表CH1通道）分別用導線接入三極管的發射集（E）與地，測量靜態電壓UEQ；調整偏置電阻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ADALM2000信號發生器功能（Signal Generator），在右邊將會展開四個子功能：常數（Constant），波形（Waveform），緩沖（Buffer），數字（Math）；提供交流電源選擇第二個子功能—波形（Waveform），將信號源參數設置為：幅度（Amplitude）20mVp-p，頻率（Frequency）1KHZ的正弦波。將ADALM2000下方W用導線接入三極管的基極（B）。點擊RUN，此時ADALM2000開始向電路中輸送Ui。如圖6所示。

圖6 用Scopy軟件打開ADALM2000信號發生器功能

（7）用Scopy軟件打開ADALM200示波器功能，將ADALM2000下方1+和1-（示波器CH2通道）分別用導線接入三極管的發射極（E）與面包板地線，測量輸出電壓UEQ，信號模式選擇交流（AC）。在右側可調節變量里，水平（HORIZONTAL）控制時間周期，設置為200us，位置設置為3.721us；垂直（VERTICAL）控制伏/分區和位置，分別設置為100mVolts和0Volts。完成上述操作后點擊RUN產生波形。如圖7所示。

圖7 用Scopy軟件打開ADALM200示波器功能

（8）將負載電阻Rs連接到A、B兩點之間，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）將負載電阻RL連接到Re兩點之間，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 實驗結果

實驗記錄結果如圖8所示。

圖8 記錄結果

5 誤差分析

本次實驗由于實際電阻，電容的值與理論值存在微小誤差，所做出的數值與理論有微小誤差

結語：本次實驗設計對理論知識進行了驗證，充分發揮了ADALM2000的優勢，小巧的盒子里包含了信號發生器，示波器，穩壓電源，電壓表等功能，大大的簡化了基礎電子實驗的操作，解決了實驗只局限在實驗室的問題。ADALM2000主動學習模塊的設計考慮到了各種水平、不同背景的學生和電子愛好者們，易于上手的設計保證了使用者既可以在教師的輔導下學習，也可以自學。小巧的模塊可以助你探索數十兆赫茲范圍的信號與系統的世界，也為攻讀科學、技術或工程學位打下基礎，而無需花費巨資購買龐大的傳統實驗裝備，有較大的應用空間。