作者：Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)旨在研究調(diào)諧放大器的特性。

背景知識(shí)

對(duì)通信系統(tǒng)的許多要求都超出了運(yùn)算放大器的高頻限制。在此類情況下，通常會(huì)使用分立式調(diào)諧放大器。分立式放大器通常使用LC（并聯(lián)電感電容）諧振電路來代替集電極（或漏極）電阻器進(jìn)行調(diào)諧。此類電路見圖1。

圖1.具有諧振輸出負(fù)載的共發(fā)射極放大器。

并聯(lián)LC（諧振回路）電路決定了放大器的頻率響應(yīng)。在某個(gè)頻率下，X_L = X_C。此頻率稱為諧振頻率F_R，其計(jì)算公式如下：

正如我們在電感器自諧振實(shí)驗(yàn)1中了解到的那樣，在設(shè)計(jì)調(diào)諧放大器時(shí)一定要考慮內(nèi)置電容。在理想的諧振電路中，電感電流滯后電容電流180°，凈電路電流為零。因此，并聯(lián)諧振電路的阻抗在F_R處極高。當(dāng)集電極的負(fù)載阻抗最大（即在F_R處工作）時(shí)，共發(fā)射極放大器的電壓增益達(dá)到最大值。

當(dāng)輸入頻率（F_IN）低于F_R時(shí)，電路阻抗從其最大值開始減小并呈感性。當(dāng)F_IN高于F_R時(shí)，電路阻抗再次下降，但呈容性。當(dāng)在F_R處工作時(shí)，諧振電路的阻抗達(dá)到其最大值。因此，調(diào)諧共發(fā)射極放大器2的增益也處于最大值。

實(shí)驗(yàn)前仿真

構(gòu)建調(diào)諧放大器的仿真原理圖見圖1。計(jì)算偏置電阻R1和R2的值，確保當(dāng)發(fā)射極電阻R3設(shè)置為100 Ω時(shí)，NPN晶體管Q1中的集電極電流約為5 mA。假設(shè)電路由10 V電源供電。確保R1和R2之和（總電阻）達(dá)到合理的最高值，從而讓放大器級(jí)保持盡可能高的輸入阻抗。將輸入和輸出交流耦合電容C2和C3設(shè)置為0.1 μF。計(jì)算C1的值，確保當(dāng)L1設(shè)置為100 μH時(shí)，諧振頻率接近500 kHz。在輸入端口執(zhí)行小信號(hào)交流掃描，并繪制在輸出處看到的幅度和相位曲線。保存這些結(jié)果，將它們與實(shí)際電路的測量結(jié)果進(jìn)行比較并將比較結(jié)果隨附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。您可能還希望為圖3和圖4中所示的電路創(chuàng)建仿真原理圖。

材料

?  ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

?  無焊試驗(yàn)板和跳線套件

?  一個(gè)2N3904 NPN晶體管

?  一個(gè)100 μH電感器（各種具有其他值的電感器）

?  兩個(gè)0.1μF電容

?  一個(gè)100 Ω電阻

?  所需的其他電阻和電容

說明

在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖2所示的電路。根據(jù)您的實(shí)驗(yàn)前仿真，從器件套件中選擇偏置電阻器R1和R2的值，以便在使用100 Ω發(fā)射極電阻器R3時(shí)，NPN晶體管Q1中的集電極電流介于5 mA和10 mA之間。假設(shè)電路由+5V和–5V電源（總共10V）供電。確保R1和R2之和（總電阻）達(dá)到合理的最高值，從而讓放大器級(jí)保持盡可能高的輸入阻抗。同樣，根據(jù)您的仿真，計(jì)算C1的值，使100 μH L1的諧振頻率接近500 kHz。從器件套件內(nèi)提供的標(biāo)準(zhǔn)電容器值中選擇一個(gè)值，或者將兩個(gè)器件串聯(lián)或并聯(lián)在一起，使其值盡可能接近計(jì)算值。根據(jù)最終得到的C1值計(jì)算新的諧振頻率。您可能希望考慮在實(shí)驗(yàn)中測量的寄生繞組電容對(duì)電感器自諧振的影響。¹

此調(diào)諧放大器的峰值增益可能會(huì)非常高。我們將需要通過選擇比R1和R2并聯(lián)電阻值（放大器的輸入電阻）大2到3倍的R_S值來略微衰減AWG1的輸出信號(hào)。輸出負(fù)載R_L的值還決定了放大器的最大增益。在初始測量時(shí)，要將R_L排除在電路之外。示波器通道的大約1 MΩ輸入電阻將用作R_L。

圖2.共發(fā)射極調(diào)諧放大器。

硬件設(shè)置

綠色區(qū)域表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復(fù)檢查接線之后，再打開電源。試驗(yàn)板連接見圖3。

圖3.共發(fā)射極調(diào)諧放大器試驗(yàn)板連接。

程序步驟

在主Scopy窗口打開網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件工具。配置掃描范圍，起始頻率為10 kHz，停止頻率為10 MHz。將振幅設(shè)置為200 mV，偏置設(shè)置為0 V。使用波特圖顯示，將可顯示的最大幅度設(shè)置為60 dB，顯示范圍設(shè)置為80 dB。將可顯示的最大相位設(shè)置為180°，顯示范圍設(shè)置為360°。在示波器通道下，點(diǎn)擊“使用通道1”，將其作為參考通道。將步驟數(shù)設(shè)為100。

運(yùn)行單次頻率掃描。您應(yīng)該會(huì)看到，幅度和相位與頻率的關(guān)系曲線和仿真結(jié)果非常相似。一旦確定放大器的最大增益出現(xiàn)在500 kHz附近，就可以縮小頻率掃描范圍，使其從100 kHz開始，到1 MHz停止。請(qǐng)務(wù)必將所有頻率掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB®進(jìn)行深入分析。Scopy波形圖示例見圖4。

圖4.共發(fā)射極調(diào)諧放大器，R_L為1 MΩ。

說明

計(jì)算輸入偏置電阻分壓器R1和R2的新值，使得在沒有施加輸入信號(hào)的情況下晶體管Q1截止(I_C = 0)。正弦波通常不包含任何諧波，因此將AWG1設(shè)置為產(chǎn)生方波信號(hào)，其頻率為您在早期測試中測量的諧振頻率的1/3。要生成大諧波，請(qǐng)將對(duì)稱性設(shè)置為20%（在20%的周期內(nèi)脈沖處于高電平）。您需要將輸入脈沖的幅度增加到大于2 V，或者移除輸入衰減源電阻器R_S。

程序步驟

倍頻器由集電極電流的脈沖驅(qū)動(dòng)，集電極電流由C類放大器產(chǎn)生。盡管集電極電流以脈沖形式流動(dòng)，但由于諧振電路的作用，交流集電極電壓為正弦波。使用一個(gè)示波器通道，通過測量發(fā)射極電阻器R3兩端的電壓來監(jiān)控集電極電流脈沖。Scopy波形圖見圖5。

圖5.通道2測量發(fā)射極電阻R3兩端的電壓。

現(xiàn)在向電路中添加負(fù)載電阻R_L。從100 kΩ開始運(yùn)行新掃描。記下最大增益和頻率。將它們與僅使用示波器輸入作為負(fù)載時(shí)獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。連續(xù)嘗試較低的RL值，例如10 kΩ和1 kΩ等。記下并比較測量結(jié)果。

倍頻器

倍頻器或諧波發(fā)生器是一類特殊的放大器，其偏置比正常截止偏置低3到10倍。使用它們生成的輸出頻率是較低輸入頻率的倍數(shù)（諧波）。

圖2的調(diào)諧放大器電路可以用作倍頻器。如果輸入信號(hào)（例如包含足夠大諧波的方波或脈沖）的頻率為167 kHz，也就是輸出回路的諧振頻率500 kHz的1/3，則輸出信號(hào)將達(dá)到500 kHz，即輸入頻率的三倍，而且此時(shí)的增益最高。輸入的基頻和其他諧波將因電路的調(diào)諧特性而顯著降低。五次諧波（五倍頻）信號(hào)通常在倍頻中盡可能高，因?yàn)楦哂谖宕蔚妮斎胄盘?hào)諧波通常非常弱，并且倍增輸出會(huì)減小到非常弱的信號(hào)。

改進(jìn)的調(diào)諧放大器級(jí)

下面的電路（如圖6所示）是更通用的調(diào)諧放大器級(jí)，它使用帶有LC諧振輸出負(fù)載的NPN差分對(duì)3。

材料

?  ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

?  無焊試驗(yàn)板和跳線套件

?  一個(gè)2N3904 NPN晶體管

?  一對(duì)SSM2212 NPN匹配晶體管

?  一個(gè)100 μH電感器（各種具有其他值的電感器）

?  兩個(gè)0.1 μF電容（標(biāo)記為104）

?  一個(gè)100 Ω電阻

?  兩個(gè)1 kΩ電阻

?  兩個(gè)2.2 kΩ電阻

?  所需的其他電阻和電容

說明

在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖6所示的電路。為Q1和Q2配備SSM2212匹配晶體管對(duì)。從器件套件中選擇偏置電阻器R1和R2的值，以便在使用100 Ω發(fā)射極電阻器R3時(shí)，NPN晶體管Q3中的集電極電流介于5 mA和10 mA之間。請(qǐng)注意，在這種情況下，R1、R2電阻分壓器由地和–5 V電源供電。使用與前面的放大器級(jí)相同的L1和C1組合。

圖6.具有單端諧振輸出負(fù)載的差分放大器級(jí)。

硬件設(shè)置

綠色區(qū)域表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復(fù)檢查接線之后，再打開電源。試驗(yàn)板連接見圖7。

圖7.具有單端諧振輸出負(fù)載試驗(yàn)板連接的差分放大器級(jí)。

程序步驟

在主Scopy窗口打開網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件工具。配置掃描范圍，起始頻率為10 kHz，停止頻率為10 MHz。將振幅設(shè)置為200 mV，偏置設(shè)置為0 V。使用波特圖顯示，將可顯示的最大幅度設(shè)置為50 dB，顯示范圍設(shè)置為80 dB。將可顯示的最大相位設(shè)置為180°，顯示范圍設(shè)置為360°。在示波器通道下，點(diǎn)擊“使用通道1”，將其作為參考通道。將步驟數(shù)設(shè)為500。

與第一個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣，運(yùn)行單次頻率掃描。一旦確定放大器的最大增益出現(xiàn)在500 kHz附近，就可以縮小頻率掃描范圍，使其從100 kHz開始，到1 MHz停止。請(qǐng)務(wù)必將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB進(jìn)行深入分析。Scopy波形圖見圖8。

圖8.經(jīng)過改進(jìn)的調(diào)諧放大器，R_L為1 MΩ。

與前面一樣，向電路中添加負(fù)載電阻R_L。從100 kΩ開始運(yùn)行新掃描。記下最大增益和頻率。將它們與僅使用示波器輸入作為負(fù)載時(shí)獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。連續(xù)嘗試較低的R_L值，例如10 kΩ和1 kΩ等。記下并比較測量結(jié)果。它們應(yīng)當(dāng)與第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)果類似。

額外實(shí)驗(yàn)

通過一個(gè)電容器將幅度調(diào)制應(yīng)用于輸出頻率，該電容器將源自AWG 2的調(diào)制（音頻）信號(hào)耦合到電流源晶體管Q3的基極或發(fā)射極。

添加2階高通濾波器輸入級(jí)

有時(shí)，需要在單晶體管調(diào)諧放大器級(jí)的輸入端接入一個(gè)簡單的有源高通濾波器。圖9所示的濾波器電路提供一個(gè)具有單位增益的2階濾波器。此濾波器便于放置在較大的電路中，因?yàn)樗脑苌?，而且占用的空間不大。

有源高通晶體管電路相當(dāng)簡單，總共僅使用四個(gè)電阻器、兩個(gè)電容器和單個(gè)晶體管。晶體管的工作條件以正常方式進(jìn)行設(shè)置。如圖1所示，R1和R2用于設(shè)置晶體管基極的偏置點(diǎn)。電阻器R3是發(fā)射極電阻器，用于設(shè)置晶體管的電流。

濾波器元件包含在從晶體管發(fā)射極到輸入的負(fù)反饋中。構(gòu)成有源濾波器網(wǎng)絡(luò)的元件包含C2、C3、R4以及R1和R2的并聯(lián)組合，并假設(shè)晶體管基極的輸入電阻非常高，可以忽略不計(jì)。

這針對(duì)的是高通濾波器電路中晶體管本身的影響可以忽略的值，即：

其中：

β = 晶體管的正向電流增益 Fo = 高通濾波器的截止頻率 π = 3.14159

用于確定元件值的方程提供Butterworth響應(yīng)，該響應(yīng)以盡可能快地實(shí)現(xiàn)最終滾降為代價(jià)提供通帶內(nèi)的最大平坦度。之所以這樣選擇，是因?yàn)檫@種形式的濾波器適合大多數(shù)應(yīng)用，并且數(shù)學(xué)計(jì)算很容易。

材料

?  ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

?  無焊試驗(yàn)板和跳線套件

?  一個(gè)2N3904 NPN晶體管

?  一個(gè)100 μH電感器（各種具有其他值的電感器）

?  一個(gè)0.1 μF電容

?  一個(gè)100 Ω電阻

?  所需的其他電阻和電容

說明

在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖9所示的電路。對(duì)偏置電阻器R1和R2使用與實(shí)驗(yàn)1中相同的值（圖2）。使用與前面的放大器級(jí)相同的L1和C1組合。使用上面的高通截止頻率F_O公式計(jì)算C2、C3和R4的值，從而產(chǎn)生比L1和C1的諧振頻率低兩倍頻程的頻率。例如，如果FR等于500 kHz，則基于F_O等于125 kHz進(jìn)行計(jì)算。

圖9.向調(diào)諧放大器中添加2階高通輸入濾波器。

圖10.試驗(yàn)板連接。

硬件設(shè)置

綠色區(qū)域表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復(fù)檢查接線之后，再打開電源（圖10）。

程序步驟

在主Scopy窗口打開網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件工具。配置掃描范圍，起始頻率為10 kHz，停止頻率為10 MHz。將振幅設(shè)置為200 mV，偏置設(shè)置為0 V。使用波特圖顯示，將可顯示的最大幅度設(shè)置為30 dB，顯示范圍設(shè)置為60 dB。將可顯示的最大相位設(shè)置為180°，顯示范圍設(shè)置為360°。在示波器通道下，點(diǎn)擊“使用通道1”，將其作為參考通道。將步驟數(shù)設(shè)為100。

圖11.RL 為1MΩ時(shí)的結(jié)果

與第一個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣，運(yùn)行單次頻率掃描，示波器通道2通過耦合電容C4連接到Q1的集電極。要測量高通輸入濾波器的響應(yīng)，請(qǐng)通過耦合電容C4將示波器通道2連接到Q1的基極。請(qǐng)務(wù)必將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB進(jìn)行深入分析。將響應(yīng)曲線與在圖2的電路中測量的曲線進(jìn)行比較。嘗試C2、C3和R4值的不同組合，了解頻率響應(yīng)有何變化。Scopy波形圖見圖11。

問題

1.當(dāng)運(yùn)算放大器不適合高頻要求時(shí)，通常使用哪些元件來調(diào)諧放大器？

2.并聯(lián)諧振電路的阻抗在其諧振頻率下會(huì)發(fā)生什么變化，這對(duì)共發(fā)射極放大器的電壓增益有何影響？

3.文中提到的高通濾波器的主要功能是什么？它對(duì)放大器的輸入信號(hào)有何影響？

您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。

參考文獻(xiàn)

1 “實(shí)驗(yàn)：電感自諧振。”ADI公司，2020年6月。

2 “ADALM2000實(shí)驗(yàn)：共發(fā)射極放大器。”《模擬對(duì)話》，第54卷第2期，2020年6月。

3 “ADALM2000實(shí)驗(yàn)：BJT差分對(duì)。”《模擬對(duì)話》，第55卷第2期，2021年6月。

關(guān)于ADI

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財(cái)年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問www.analog.com/cn

關(guān)于作者

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab®、QA自動(dòng)化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前擁有貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士學(xué)位，并擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。